[論文レビュー] Phase field predictions of microscopic fracture and R-curve behaviour of fibre-reinforced composites

Wei Tan, Emilio Martínez‐Pañeda|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2020

Numerical methods in engineering被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、繊維強化複合材料における微視的破壊およびRカーブ挙動をシミュレートするため、カップリング型フェーズフィールド– cohesive zoneモデルを提案する。有限要素解析において、マトリックスクラックのためのフェーズフィールド破壊法と、繊維–マトリックス界面剥離のための cohesive zoneモデリングを組み合わせることで、クラック経路、荷重–変位応答、およびRカーブを正確に予測する。その結果、多孔質性がクラックの丸みを生じさせることで、破壊靭性を向上させることを明らかにした。

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.

研究の動機と目的

• 繊維強化ポリマー複合材料における微視的破壊メカニズムを捉える計算フレームワークの開発を目的とする。
• マトリックスの破壊靭性、繊維–マトリックス界面特性、および多孔質性がクラック成長抵抗（Rカーブ挙動）に与える影響を調査することを目的とする。
• 実験的単一 notched 三ポイント bending 試験データと照合することで、クラック経路および荷重–変位予測の正確性を検証することを目的とする。
• 微細構造的特徴（例えば、空孔）が破壊靭性に与える影響を明らかにし、最適な靭化戦略を同定することを目的とする。
• 高靭性複合材料の効率的設計を可能にするマルチスケールバーチャルツールの確立を目的とする。

提案手法

• マトリックスクラックのモデリングには、グリフィス基準に基づく正則化エネルギー汎関数の最小化を用いるフェーズフィールド破壊法が用いられる。
• 繊維–マトリックス剥離および繊維ブリッジング効果をシミュレートするため、フェーズフィールドアプローチと cohesive zone モデルが結合される。
• 実際の微細構造を捉える代表体積要素（RVE）を内蔵した仮想の単一 notched 三ポイント bending 試験片を用いた有限要素解析が実施される。
• 残りの複合材料領域は、計算コストを低減しつつもマクロな応答を保持できるように、異方性弾性体に均質化される。
• パラメトリックスタディーでは、マトリックス靭性、界面強度、および靭性を変化させ、多孔質性は体積分率2%～10%の円形空孔として導入される。
• 予測されたクラック経路および荷重–CMOD応答を実験データと照合することで、モデルの妥当性が検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェーズフィールド–cohesive zoneカップリングモデルは、繊維強化複合材料におけるクラック伝播および剥離をどのように予測するか？
• RQ2 マトリックス破壊靭性と界面靭性の両者がRカーブ挙動に与える相対的寄与は何か？
• RQ3 マトリックス内の多孔質性の増加が、破壊靭性およびクラック経路トポロジーに与える影響は何か？
• RQ4 通常の欠陊による劣化とは対照的に、マトリックス内に規則的な円形空孔が存在することで、クラックの丸みが生じ、破壊靭性が上昇する可能性はあるか？
• RQ5 このモデルは、実験的荷重–変位応答およびクラック経路応答をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• カップリング型フェーズフィールド–cohesive zoneモデルは、クラック経路、界面剥離、荷重–変位応答を正確に予測し、実験データと優れた一致を示した。
• マトリックス破壊靭性を向上させることは、界面破壊靭性を向上させるよりも、より効果的な靭化機構であることが判明した。これは、Rカーブの勾配がより大きくなるためである。
• 多孔質性は破壊靭性を向上させる。10%の空孔体積分率では、非多孔質状態と比較してΔa = 0.8 mmにおける破壊靭性が37%上昇した。
• 規則的な円形空孔によるクラックの丸みは、Rカーブの上昇を引き起こし、通常の製造由来欠陊による劣化とは対照的に、より安定したクラック成長を示した。
• モデルは、弱い繊維–マトリックス界面強度が破壊靭性を向上させるが、材料強度を低下させることを明らかにした。これは、設計におけるトレードオフを示している。
• このフレームワークにより、メッシュに起因する方向性バイアスが生じない複雑なクラック経路（分岐や融合を含む）の正確なシミュレーションが可能となった。