[논문 리뷰] Phase field predictions of microscopic fracture and R-curve behaviour of fibre-reinforced composites

Wei Tan, Emilio Martínez‐Pañeda|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 02.

Numerical methods in engineering인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 섬유 강화 복합재에서 미세구조적 균열 및 R곡선 거동을 시뮬레이션하기 위해 결합된 단계장-접착면 모형을 제시한다. 유한요소 시뮬레이션에서 매트릭스 균열을 위한 단계장 파손 모형과 섬유-매트릭스 탈착을 위한 접착면 모형을 결합함으로써, 이 프레임워크는 균열 경로, 하중-변위 반응 및 R곡선을 정확하게 예측하며, 균열 블러닝을 통해 다공성이 파손 toughness를 향상시킬 수 있음을 밝혀낸다.

ABSTRACT

We present a computational framework to explore the effect of microstructure and constituent properties upon the fracture toughness of fibre-reinforced polymer composites. To capture microscopic matrix cracking and fibre-matrix debonding, the framework couples the phase field fracture method and a cohesive zone model in the context of the finite element method. Virtual single-notched three point bending tests are conducted. The actual microstructure of the composite is simulated by an embedded cell in the fracture process zone, while the remaining area is homogenised to be an anisotropic elastic solid. A detailed comparison of the predicted results with experimental observations reveals that it is possible to accurately capture the crack path, interface debonding and load versus displacement response. The sensitivity of the crack growth resistance curve (R-curve) to the matrix fracture toughness and the fibre-matrix interface properties is determined. The influence of porosity upon the R-curve of fibre-reinforced composites is also explored, revealing a stabler response with increasing void volume fraction. These results shed light into microscopic fracture mechanisms and set the basis for efficient design of high fracture toughness composites.

연구 동기 및 목표

• 섬유 강화 폴리머 복합재에서 미세구조적 파손 메커니즘을 포괄하는 수치적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 매트릭스 파손 인성, 섬유-매트릭스 인터페이스 특성, 다공성 등이 균열 성장 저항성(R곡선 거동)에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 정확한 균열 경로 및 하중-변위 예측을 위해 실험적 단일균열 3점 bending 시험 결과와의 비교를 통해 모형을 검증하기 위해.
• 공기 체공과 같은 미세구조적 특성이 파손 인성에 미치는 영향을 분석하고 최적의 인성 향상 전략을 규명하기 위해.
• 고파손 인성 복합재의 효율적 설계를 위한 다스케일 가상 도구를 구축하기 위해.

제안 방법

• 매트릭스 균열을 모의하기 위해 단계장 파손 방법을 사용하며, 이는 Griffith 기준에 기반한 정규화된 에너지 기능의 최소화에 기초한다.
• 섬유-매트릭스 탈착과 섬유 브리징 효과를 시뮬레이션하기 위해 단계장 접근법과 접착면 모형을 결합한다.
• 실제 미세구조를 반영하는 대표체적 요소(RVE)를 내장한 가상의 단일균열 3점 bending 시편에서 유한요소 시뮬레이션을 수행한다.
• 나머지 복합재 영역은 계산 비용을 줄이기 위해 비대칭 탄성체로 균일화하며, 거시적 거동을 유지한다.
• 매개변수 연구에서는 매트릭스 인성, 인터페이스 강도 및 인성을 변화시키며, 다공성은 2%에서 10%의 체적분율로 매트릭스에 원형 공기 체공 형태로 도입한다.
• 예측된 균열 경로 및 하중-CMOD 반응을 실험 데이터와 비교하여 모형을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결합된 단계장-접착면 모형은 섬유 강화 복합재에서 균열 전파와 탈착을 어떻게 예측하는가?
• RQ2 매트릭스 파손 인성과 인터페이스 인성 중 어느 것이 R곡선 거동에 더 큰 기여를 하는가?
• RQ3 매트릭스 내 다공성 증가가 파손 인성과 균열 경로 토폴로지에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 일반적인 결함으로 인한 열화와는 반대로, 매트릭스 내 규칙적인 원형 공기 체공이 균열 블러닝을 유도하여 파손 인성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 모형이 실험적 하중-변위 및 균열 경로 반응을 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 결합된 단계장-접착면 모형은 균열 경로, 인터페이스 탈착, 하중 대 변위 반응을 정확하게 예측하며, 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보인다.
• 매트릭스 파손 인성을 높이는 것이 인터페이스 파손 인성을 높이는 것보다 더 효과적인 인성 향상 메커니즘이며, 이는 더 높은 R곡선 기울기를 유도한다.
• 다공성은 파손 인성을 증가시킨다: 10%의 공기 체공 체적분율은 비다공성 경우에 비해 Δa = 0.8 mm에서 37% 높은 파손 인성을 나타낸다.
• 규칙적인 원형 공기 체공에 의한 균열 블러닝은 상승하는 R곡선을 유도하며, 제조 공정에서 유래한 결함으로 인한 일반적인 열화와는 반대로 더 안정적인 균열 성장이 가능함을 시사한다.
• 모형은 약한 섬유-매트릭스 인터페이스 강도가 파손 인성을 증가시키지만 재료 강도를 감소시킴을 드러내며, 설계 시 상충 관계를 보여준다.
• 이 프레임워크는 메쉬 유도 방향성 편향 없이 복잡한 균열 경로, 예를 들어 분지 및 융합 현상까지 정확하게 시뮬레이션할 수 있다.