복합 소재가 중요한 응용 분야에서 기존 금속을 점차 대체하고 있다는 사실, 알고 계셨나요? 하지만 복합 소재는 피로 손상이라는 고유한 문제에 직면해 있습니다. 시간이 지남에 따라 반복적인 하중은 복합 소재에 미묘하지만 점진적인 파손을 유발하여 내구성과 성능을 위협할 수 있습니다. 이 문제는 특히 항공우주, 자동차, 풍력 에너지와 같이 재료 파손 위험이 높은 산업에서 매우 중요합니다.
일반적으로 반복 응력 하에서 균일한 메커니즘으로 파괴되는 금속과 달리, 복합재는 불균일한 구조로 인해 복잡한 거동을 보입니다. 복합재의 피로 손상에는 섬유 파손, 매트릭스 균열 또는 박리가 포함될 수 있으며, 각 손상에는 특정 분석 기법이 필요합니다. 이러한 메커니즘을 이해하는 것은 반복 하중을 파손 없이 견딜 수 있는 신뢰할 수 있는 복합재 구조물을 설계하는 데 필수적입니다.
이 글에서는 단섬유, 단방향, 직조 복합재 등 다양한 복합재 유형의 피로 거동을 심층적으로 살펴보고, 각 복합재의 고유한 파괴 메커니즘을 강조합니다. 또한 Abaqus 및 UMAT 서브루틴을 활용한 고급 시뮬레이션 기법을 통해 피로 수명을 예측하고 복합재 성능을 최적화하는 방법을 소개합니다. 복합재 피로 해석을 처음 접하는 초보자부터 숙련된 엔지니어까지, 이 가이드는 복합재 피로 해석 및 해석의 어려움을 해결하는 데 도움을 드립니다.
How to do Composite Fatigue Analysis?
복합재의 피로는 기존 재료와 유사하게 반복 또는 반복 하중에 노출되어 발생하지만, 불균일한 구조로 인해 고유한 복잡성을 지닙니다. 복합재의 매트릭스와 보강재는 반복 응력에 다르게 반응하여 매트릭스 균열, 섬유 파손, 박리와 같은 국부적인 손상을 초래할 수 있습니다. 이러한 손상 메커니즘은 상호 작용하여 복합재를 점진적으로 약화시키고 결국 파손을 유발합니다. 복합재의 고유한 이방성과 매트릭스와 섬유의 다양한 특성은 피로 거동을 더욱 복잡하게 만들기 때문에 피로 해석 시 하중 유형, 환경 조건, 그리고 재료 조성을 고려하는 것이 필수적입니다.
일반적으로 복합재에 손상이 발생하면 복합재 피로 해석과 같은 경우 손상을 네 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다.
- 섬유 손상: 복합재의 인장 하중은 섬유가 부담합니다. 하중이 섬유의 허용 한계를 초과하면 섬유가 손상되어 복합재가 손상됩니다.
- 매트릭스 손상: 섬유 강화 복합재에서 매트릭스는 일반적으로 압축을 견뎌냅니다. 압축이 매트릭스의 허용 한계를 초과하면 매트릭스가 파단되어 손상됩니다.
- 박리: 박리는 복합재 손상의 한 메커니즘입니다. 이 경우, 복합재의 층들이 분리되어 복합재 구조가 손상됩니다.
- 섬유/매트릭스 인터페이스 고장: 순환적 하중은 매트릭스와 복합 섬유 사이의 분리로 이어져 복합재 고장을 초래할 수 있습니다.
그림 1: 복합재의 손상 모드
복합재료의 파괴 메커니즘을 이해하는 것은 피로 해석에 있어서 매우 중요합니다. 파괴 메커니즘을 고려함으로써 적절한 이론을 선택하고 개발할 수 있기 때문입니다.
복합재의 피로 수명을 예측하려면 다상 특성을 고려한 전문적인 접근법이 필요합니다. 따라서 복합재의 피로를 예측하기 위해서는 유한요소법과 같은 강력한 도구가 필요합니다. Abaqus 소프트웨어는 사용자에게 이러한 도구를 제공할 수 있습니다.
What is fatigue damage?
피로 손상은 재료가 반복 또는 순환 하중을 받을 때 발생하며, 점진적인 구조적 열화와 최종적인 파손으로 이어집니다. 교량, 항공기 부품, 회전 기계와 같이 많은 구조물이 작동 중 응력 변동을 경험하기 때문에 이러한 현상은 공학에 매우 중요합니다. 피로 손상은 일반적으로 균열 발생, 균열 전파, 그리고 급속 파괴의 세 단계로 진행됩니다. 반복 하중의 크기와 종류, 환경 조건, 재료 특성과 같은 요인들이 피로의 발생과 진행에 영향을 미칩니다.
피로 현상과 이에 영향을 미치는 요인에 대한 완전하고 정확한 정보를 얻는 데 관심이 있다면 다음을 찾을 수 있습니다. “What is Fatigue Analysis?” 유익한 블로그입니다.
그림 2: 피로로 인한 크랭크 암의 고장
Fatigue cycle number
단섬유 복합 피로를 포함한 피로를 연구하려면 다음 사항에 주의를 기울여야 합니다. 피로 사이클 수. 피로는 일반적으로 두 가지 주요 범주로 나뉩니다.
- 저주기 피로
- 고주기 피로
작용 응력이 항복 응력을 초과하면 저주기 피로가 발생하고, 반대로 응력이 항복 응력보다 낮으면 고주파 피로가 발생합니다.
피로한 삶
피로한 삶 구조물의 피로 해석에서 또 다른 중요한 변수입니다. 피로 수명은 시험 중 시편이 피로가 발생할 때까지 반복되는 횟수를 의미합니다. 응력-사이클 수 선도에는 이 값보다 낮은 응력에서는 부품이 피로를 경험하지 않는 이론적인 값이 있습니다. 이 값을 피로 한계라고 합니다.
그림 3: 피로수명곡선(SN곡선)
Four categories of Fiber reinforced composites
섬유 강화 복합재 섬유 강화 복합재는 수지나 폴리머와 같은 매트릭스와 섬유를 결합하여 만든 복합재의 한 유형입니다. 복합재에 섬유가 존재하면 인장 하중을 매트릭스보다 훨씬 높은 인장 강도를 가진 섬유가 지탱하기 때문에 강도가 크게 향상될 수 있습니다. 섬유 강화 복합재의 기계적 특성은 섬유의 종류, 부피 분율, 길이 및 배향에 크게 영향을 받습니다. 일반적으로 섬유 강화 복합재는 다음과 같이 분류할 수 있습니다. 4가지 범주: (Abaqus Composite에 대한 추가 정보 및 복합 분석)
연속 정렬 섬유 복합재
그림 4: 연속 정렬 섬유 복합재 개략도
불연속 정렬 섬유 복합재
그림 5: 불연속 정렬 섬유 복합재 개략도
짧은 무작위 섬유 복합재
그림 6: 짧은 무작위 섬유 복합재 개략도
직물 복합재
그림 7: 짠 복합재 개략도
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교육 패키지는 Abaqus 소프트웨어와 제목의 기사를 기반으로 수정된 Hashin 피로 손상 모델을 사용하여 짠 복합 피로를 시뮬레이션하는 데 중점을 둡니다. ""정적 및 피로 하중을 받는 직조 CFRP 구조의 수명 예측"". 직조 복합재는 높은 강도와 강성 대 중량비를 갖지만, 직조 패턴은 응력 분포와 손상 메커니즘에 영향을 미칠 수 있으므로 피로 해석이 필수적입니다. 이 패키지에는 다양한 유형의 복합재 피로 모델, 재료 특성 분석, 파괴 모델 일반화, 그리고 UMAT 서브루틴 구현을 다루는 네 가지 강의가 포함되어 있습니다. 두 개의 워크숍에서는 반복 인장 하중을 받는 요소와 복잡한 모델에 UMAT 서브루틴을 구현하는 실습 경험을 제공합니다. 피로 해석은 반복 하중 하에서 재료의 거동을 예측하고 안전하고 신뢰할 수 있는 구조물을 설계하는 데 도움을 줍니다.
Composite Fatigue Theories
복합재료의 피로 해석은 복잡한 분야이며, 반복 하중 하에서 손상을 예측하는 데 사용할 수 있는 수많은 이론이 존재합니다. 최대 응력 기준과 같은 이러한 각 이론은, 차이-힐 기준, 하신 기준, 그리고 퍽 기준—복합재의 종류와 하중 조건에 따라 고유한 강점과 응용 분야를 제공합니다.
널리 사용되는 두 가지 이론, 즉 차이-힐(Tsai-Hill)과 하신(Hashin) 기준은 재료 유형과 하중 조건에 따라 뚜렷한 장점을 제공합니다. 자세한 비교는 다음과 같습니다.
1. 차이힐 기준
- 개요: 힐 항복 기준에서 파생된 이차 파괴 기준은 이방성 재료에 맞게 조정되었습니다.
- 강점: 유사한 인장 및 압축 강도를 가진 복합재의 파손을 예측하는 데 간단하고 효과적입니다.
- 제한 사항: 파손 모드(예: 섬유 대 매트릭스 파손)를 구분하지 않고 재료 반응의 동질성을 가정합니다.
- 최고의 응용 프로그램: 다축 응력 하에서 단방향 또는 준등방성 적층판의 초기 평가에 유용합니다.
2. 하신 기준
- 개요: 섬유와 매트릭스 파손을 구별하는 모드 의존적 파손 기준으로, 복합재 손상 메커니즘에 대한 자세한 분석을 제공합니다.
- 강점: 다양한 파손 모드를 예측하는 데 높은 정확도를 제공합니다. 복잡한 하중 조건에서 섬유 강화 복합재에 적합합니다.
- 제한 사항: 세부적인 재료 속성이 필요하고, 특히 3D 시뮬레이션의 경우 계산 집약적입니다.
- 최고의 응용 프로그램: 항공우주 및 자동차 분야의 섬유 강화 적층판에 이상적이며, 특히 복합 하중 시나리오에 적합합니다.
그림 8: 차이힐과 하신의 비교
다음에서는 각 유형의 복합재(단방향, 단섬유, 직조)에서의 복합 피로에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
또 다른 점은 단섬유 복합재료와 같은 일부 복합재료가 다른 피로 거동을 보였고, 이 범주의 복합재료에 대해 매우 정확한 다른 기준이 개발되었다는 것입니다.
단섬유 복합재 피로 손상에 대한 가장 잘 알려진 두 가지 모델은 다음과 같습니다.
- 단섬유 복합재 피로에 대한 노리 손상 모델.
- 단섬유 복합재 피로에 대한 Avanzini 손상 모델.
불연속 섬유 복합재 피로 해석을 위한 Avanzini 모델은 Nori 모델의 개발 및 수정을 통해 탄생했습니다. 이 모델에서는 균질하고 등방성인 복합재를 가정하여 섬유 분포를 무작위로 고려합니다. 걱정하지 마세요! 이 글의 뒷부분에서 이 이론들에 대해 논의하겠습니다.
Fatigue Analysis of Composite Materials in Abaqus
아시다시피 Abaqus는 유한 요소 시뮬레이션을 위한 강력한 도구입니다. 복합재의 고유한 이방성 거동과 불균일 구조를 모델링할 수 있는 Abaqus는 정적, 동적 및 열 하중을 포함한 다양한 조건에서 기계적 성능에 대한 정밀한 분석을 지원합니다. 그러나 복합재의 피로 해석에서는 매트릭스 균열, 섬유 파손, 박리와 같은 복합재 거동의 복잡성으로 인해 추가적인 복잡성이 발생합니다.
Abaqus에서 복합재의 피로를 시뮬레이션하는 것은 다양한 손상 메커니즘과 매트릭스와 보강재 간의 상호작용을 고려해야 하기 때문에 사용자에게 특히 어려울 수 있습니다. 이 과정에는 재료 특성, 피로 이론, 그리고 시뮬레이션 기법의 올바른 구현에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 따라서 Abaqus의 서브루틴을 사용하지 않고는 복합재의 피로를 안정적으로 시뮬레이션하는 것은 불가능합니다.
Composite Fatigue Analysis using UMAT and VUMAT Subroutines
복합재의 피로 시뮬레이션은 본질적으로 복잡합니다. 파괴 기준과 반복 하중을 Abaqus 인터페이스를 사용하여 직접 모델링할 수 없기 때문입니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 UMAT 및 VUMAT과 같은 서브루틴을 사용하여 사용자가 복합재의 특정 재료 거동을 정의하고 시뮬레이션할 수 있습니다. 이러한 서브루틴은 사용자 정의 강성 행렬과 파괴 기준을 통합하는 데 필요한 유연성을 제공하여 반복 하중 하에서 복합재의 반응을 정확하게 표현할 수 있습니다.
UMAT 및 VUMAT 서브루틴의 주요 아이디어는 시뮬레이션 중 각 증분에 대한 강성 행렬과 응력 및 변형률 행렬을 계산하는 것입니다. 강성 행렬은 재료의 기계적 거동을 반영하므로 핵심적인 역할을 합니다. 이 행렬을 정의하려면 복합재의 거동, 예를 들어 등방성 또는 이방성 특성을 나타내는지 여부에 대한 이해가 필요합니다. 각 유형은 서브루틴 내에서 재료 거동을 정확하게 포착하기 위해 고유한 공식을 사용해야 합니다.
그림 9: 두 개의 루프를 사용하여 UMAT 서브루틴에서 강성 행렬 계산
반복 하중이 가해지면 일반적으로 복합재 매트릭스 내부에 작은 균열이 형성되기 시작하여 손상의 시작을 알리고 재료의 강도가 점진적으로 감소합니다. UMAT 서브루틴에서 시뮬레이션을 위해 선택된 실패 기준은 모든 증분에서 평가되어야 합니다. 기준이 충족되면, 복합재의 재료 속성은 손상을 반영하기 위해 손상 변수에 의해 조정됩니다., 그리고 새로운 강성 행렬이 계산됩니다 변화된 기계적 동작을 설명하기 위해서입니다.
복합재 피로 모델링의 또 다른 핵심 측면은 재료가 견뎌낸 사이클 수를 추적하는 것입니다. UMAT 서브루틴에서 시뮬레이션에 사용되는 증분은 개별 하중 사이클을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 사이클당 하나의 증분을 할당하면 반복 하중을 시뮬레이션하는 간단한 방법이 제공되어 반복 응력의 누적 효과를 해석에서 정확하게 포착할 수 있습니다.
UMAT 및 VUMAT 서브루틴과 그 작동 방식에 대한 설명을 바탕으로 여러 복합재 샘플의 피로 시뮬레이션을 살펴보겠습니다.
이제 우리의 약속을 이행하고 각 유형의 복합재의 피로에 대해 자세히 이야기할 때가 되었습니다.
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복합 피로 훈련 패키지는 Abaqus 소프트웨어의 UMAT 서브루틴을 활용하여 피로 복합 모델을 시뮬레이션하고 분석하는 방법을 완벽하게 교육합니다. 이 훈련 패키지에는 관련 자료, 이론, 서브루틴 작성 방법, 소프트웨어 설정 등 훈련에 필요한 모든 파일이 포함되어 있습니다.
Short fiber reinforced composite fatigue
단섬유 강화 복합재 피로 해석 과정에서는 다른 복합재와 마찬가지로 섬유 재질, 섬유 부피 분율, 온도, 크리프 변형률 등 다양한 요인이 영향을 미칩니다. 그러나 단섬유 복합재 피로 해석에서 가장 중요한 요인 중 하나는 매트릭스 내 섬유 분포입니다. 섬유 분포가 불규칙하면 복합재의 거동은 균질하고 등방적입니다. 그렇지 않으면 복합재는 이방성을 나타냅니다. 대부분의 연구에 따르면 섬유 길이가 길수록 복합재 강도가 높아지고, 강도는 복합재의 피로에 직접적인 영향을 미칩니다.
그림 10: 단섬유 복합재 균열 성장 메커니즘 [참조]
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재료의 피로 파괴는 극한 강도 미만, 그리고 종종 항복 한계 미만의 반복적이거나 변동하는 응력으로 인해 갑작스럽고 예측할 수 없는 파괴가 발생할 때 발생하며, 이는 치명적인 결과를 초래할 수 있기 때문에 엔지니어링 분야에서 심각한 문제로 대두됩니다. 섬유 강화 복합재의 강화 부분은 연속 또는 불연속으로 분류할 수 있으며, 후자는 단섬유 강화 복합재라고 합니다. 본 교육 자료에서는 단섬유(단섬유) 복합재의 피로에 대해 설명합니다. 단섬유 복합재에는 Nouri 피로 손상 모델과 Avanzini 피로 손상 모델의 두 가지 피로 손상 모델이 제시됩니다. Nouri 모델은 직교 이방성 거동을 갖는 복합재에 적용할 수 있습니다. 그러나 Avanzini 모델은 매트릭스 내 섬유 분포가 균질하고 무작위적이라고 가정하고 재료 거동을 등방성으로 가정했습니다. 또한 Nouri 모델은 변형률 제어 시험을 위해 개발되었지만, Avanzini 모델은 응력 제어 시험을 위해 개발되었습니다. 이 튜토리얼에서는 이 기사를 기반으로 한 Avanzini 모델을 사용합니다. “피크 단섬유 강화 복합재의 피로 거동 및 순환 손상”. 본 문서에서는 USDFLD 서브루틴을 구현했지만, 재료 강도 및 물성 감소가 매끄럽기 때문에 USDFLD보다 정확도가 더 높은 UMAT 서브루틴을 사용합니다. 이 시뮬레이션에서는 이러한 거동을 모델링하기 위해 표준 시험편을 사용합니다. 자세한 내용은 패키지에서 확인할 수 있습니다.
Short fiber composite fatigue behavior
앞서 언급했듯이, 단섬유 복합재 피로 거동은 섬유 길이, 매트릭스 내 섬유 분포 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 대부분의 연구에 따르면 섬유 길이가 길수록 복합재 강도가 높아지고, 강도는 복합재의 피로 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 복합재 내 섬유 분포가 무작위적이지 않으면, 해당 복합재는 직교이방성(orthotropic)을 가지게 되며, 이는 무작위 섬유 분포를 가진 복합재와는 다른 거동을 보입니다. 단섬유 복합재 피로 거동을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 다양한 모델이 있으며, 단섬유 복합재 피로 손상에 대한 가장 잘 알려진 두 가지 모델은 다음과 같습니다.
- 단섬유 복합재 피로에 대한 노리 손상 모델.
- 단섬유 복합재 피로에 대한 Avanzi 손상 모델.
다음 섹션에서는 Avanzi 모델을 살펴보겠습니다.
하지만 이러한 모델을 예제와 함께 학습해야 하는 경우 다음 링크를 방문하는 것이 좋습니다.“단섬유 복합 피로“.
Discontinuous fiber composite fatigue analysis by Avanzini’s model
불연속 섬유 복합재 피로 해석을 위한 Avanzini 모델은 Nori 모델의 개발 및 수정을 통해 탄생했습니다. 이 모델에서는 균질하고 등방성인 복합재를 가정하여 섬유 분포가 무작위로 간주됩니다. 이 모델에서 변형률 에너지는 다음 식 4를 사용하여 계산됩니다.
방정식 4를 적분하면 방정식 5로부터 열역학적 힘을 얻을 수 있습니다.
위 방정식에서 γ는 손상 상수를 나타내고, d는 손상 변수를 나타냅니다. 손상 변수 d는 방정식 6을 사용하여 계산할 수 있습니다.
Avanzini 모델을 사용하여 Abaqus 소프트웨어에서 단섬유 복합재 피로를 해석할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이, 매트릭스 내 섬유의 무작위 분포로 인해 복합재는 등방성을 가지므로 재료의 강성 행렬은 다음과 같은 형태가 됩니다.
이제 복합재에 손상이 발생하면 손상 변수를 사용하여 복합재의 강성 행렬을 감소시키고, 이를 통해 UMAT 서브루틴을 사용하여 특정 사이클 수에서 복합재의 피로 거동을 시뮬레이션할 수 있습니다. 그러나 UMAT 서브루틴에서 Avanzini 모델을 구현하는 방법에 대해서는 여전히 많은 의문이 남아 있습니다. ”서브루틴을 이용한 단섬유 복합재료의 피로 손상 시뮬레이션 “ 교육 패키지입니다. 이 패키지는 Abaqus에서 단섬유 복합재 피로 시뮬레이션과 관련된 모든 질문에 대한 답변을 제공합니다. 피로 및 복합재에 대한 포괄적인 설명 외에도, 이 패키지는 Avanzini 모델을 사용한 Abaqus 단섬유 복합재 피로 시뮬레이션에 대한 완벽한 지침을 제공합니다.
Fatigue Analysis of Woven Composites
직조 복합재는 가장 널리 사용되고 널리 사용되는 복합재 중 하나이며, 광범위한 적용 분야로 인해 피로에 매우 취약합니다. 앞서 언급했듯이, 복합재를 시뮬레이션하는 가장 좋은 방법은 UMAT 서브루틴을 사용하는 것이며, 직조 복합재도 예외는 아닙니다.
그림 11: 직물 복합재의 다양한 균열 성장 메커니즘 [참조]
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교육 패키지는 Abaqus 소프트웨어와 제목의 기사를 기반으로 수정된 Hashin 피로 손상 모델을 사용하여 짠 복합 피로를 시뮬레이션하는 데 중점을 둡니다. ""정적 및 피로 하중을 받는 직조 CFRP 구조의 수명 예측"". 직조 복합재는 높은 강도와 강성 대 중량비를 갖지만, 직조 패턴은 응력 분포와 손상 메커니즘에 영향을 미칠 수 있으므로 피로 해석이 필수적입니다. 이 패키지에는 다양한 유형의 복합재 피로 모델, 재료 특성 분석, 파괴 모델 일반화, 그리고 UMAT 서브루틴 구현을 다루는 네 가지 강의가 포함되어 있습니다. 두 개의 워크숍에서는 반복 인장 하중을 받는 요소와 복잡한 모델에 UMAT 서브루틴을 구현하는 실습 경험을 제공합니다. 피로 해석은 반복 하중 하에서 재료의 거동을 예측하고 안전하고 신뢰할 수 있는 구조물을 설계하는 데 도움을 줍니다.
UMAT 서브루틴 사용 절차에 따라 먼저 재료 거동과 그에 따른 강성 행렬을 결정해야 합니다. 직조 복합재의 경우, 평면 직조, 바스켓 직조, 레노 직조 등 다양한 질감이 존재하기 때문에 각 질감의 거동이 다르므로 질감 방향에 따라 강성 행렬 유형을 결정해야 합니다. 질감이 대칭인 경우 등방성 강성 행렬을 사용할 수 있습니다.
직조 복합재의 피로 파괴를 모델링하려면 UMAT 서브루틴에 파괴 기준도 구현해야 합니다. 이 기준은 퍽 기준, 최대 응력 기준 또는 하신 기준일 수 있습니다. 손상 발생을 감지한 후, 이 변수에 의해 복합재의 특성이 감소하는 손상 변수를 정의해야 합니다. 예를 들어, 최대 응력 기준의 경우 손상 변수를 다음과 같이 정의할 수 있습니다.
디새로운 그리고 D오래된 현재 증분과 이전 증분에서의 손상 변수입니다. 그리고 N에프 SN 다이어그램을 사용하여 고장까지의 사이클 수를 나타냅니다. 
추정된 사이클 수와 완료된 사이클 수의 차이입니다. 이 손상 변수는 각 증분에 대해 별도로 계산해야 합니다.
또한, 각 증가분에서 탄성 계수의 감소된 값은 다음 방정식을 통해 계산됩니다.
이자형새로운 그리고 E오래된 각각 현재 증분과 이전 증분에서의 탄성 계수입니다.
하지만 하신 기준의 경우 감소된 강도 값은 다음 방정식을 통해 계산됩니다.
이 관계에서, 
그리고 
현재 및 이전 증분의 감소된 강도와 동일합니다.
직조 복합재의 피로 시뮬레이션 프로세스에 대한 설명에 따르면, UMAT 서브루틴에서 이러한 관계식을 구현해야 할 부분이 아직 많이 남아 있습니다. 저희 팀은 이 사례에 대한 교육 패키지를 제공합니다. 다음 링크를 참고하시면 이 시뮬레이션의 모든 내용을 활용할 수 있습니다. “Abaqus에서의 짠 복합재 피로 시뮬레이션”.
Fatigue Analysis of Unidirectional Composites
단방향 복합재는 보강 구조 측면에서 다른 복합재와 차별화되는 복합재입니다. 단방향 복합재는 섬유가 단일 방향으로 배향되어 있어 해당 방향으로 높은 강도와 강성을 갖습니다. 따라서 특정 방향으로 높은 강도와 강성이 요구되는 용도에 적합합니다.
그림 12: 단방향 복합재 시편의 매트릭스 및 섬유 손상 [참조]
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복합 피로 훈련 패키지는 Abaqus 소프트웨어의 UMAT 서브루틴을 활용하여 피로 복합 모델을 시뮬레이션하고 분석하는 방법을 완벽하게 교육합니다. 이 훈련 패키지에는 관련 자료, 이론, 서브루틴 작성 방법, 소프트웨어 설정 등 훈련에 필요한 모든 파일이 포함되어 있습니다.
단방향 복합재의 경우, 섬유의 특정 배향으로 인해 복합재가 이방성을 가지므로, UMAT 서브루틴의 강성 행렬은 복합재의 이방성을 기반으로 결정되어야 합니다. 다음 단계에서는 복합재의 피로를 시뮬레이션하기 위한 손상 기준을 지정해야 합니다.
단방향 복합재의 피로 모사를 위해 도입된 기준 중 하신(Hashin) 기준은 매트릭스와 섬유의 파손을 각각 예측하기 때문에 적합하며 파손을 잘 예측할 수 있습니다. 따라서 이 기준을 사용하면 복합재의 손상을 감지하고, 미세 균열 형성 및 층 분리로 인한 강성 매트릭스를 포함한 복합재의 물성을 저하시킬 수 있습니다.
아시다시피, 복합재가 피로로 인해 파손되면 각 사이클마다 작은 균열이 커지면서 복합재의 강도와 기계적 특성이 감소합니다. 다음 방정식을 사용하여 여러 방향의 탄성 계수와 같은 감소된 기계적 특성을 계산할 수 있습니다.
이 관계에서, 
는 응력이고, n은 통과한 사이클 수이며 상수입니다. 
재료와 관련이 있습니다. 또한 N에프 그리고 
각각 파손 수명과 파손 변형률을 나타냅니다.
이 기사의 이 섹션에서는 단방향 복합재의 피로 시뮬레이션에 대한 간략한 설명을 제공하지만 이러한 복합재의 피로를 시뮬레이션하기 위해 UMAT 및 VUMAT 서브루틴을 구현하는 방법에 대한 완전하고 자세한 정보는 다음을 참조하십시오. “아바쿠스의 유매트 서브루틴을 사용한 복합 피로 시뮬레이션(단방향)” 그리고 “ABAQUS의 VUMAT 서브루틴을 사용한 복합 피로 시뮬레이션” 패키지.
결론
본 논문에서는 복합재의 피로 거동을 살펴보았으며, 반복 하중이 구조적 무결성에 미치는 영향에 초점을 맞추었습니다. 복합재의 피로는 항공우주 및 자동차와 같이 파손 시 심각한 결과를 초래할 수 있는 산업에서 사용되는 부품의 신뢰성과 내구성에 영향을 미치기 때문에 연구가 매우 중요합니다.
복합재 피로 메커니즘을 포함한 주요 주제들을 논의했습니다. 여기에는 매트릭스 균열, 섬유 손상, 박리, 섬유/매트릭스 계면 파괴 등이 포함됩니다. Abaqus의 UMAT 서브루틴을 사용하는 것과 같은 특수 기법을 사용하여 단섬유, 단방향, 직조 복합재 등 다양한 복합재 유형의 피로를 시뮬레이션했습니다. 예를 들어, 단섬유 복합재에 대한 Avanzini 모델과 단방향 복합재에 대한 Hashin 기준을 검토하여 손상 변수가 반복 하중 하에서 강성과 강도를 어떻게 조절하는지 강조했습니다.
이 글을 통해 복합재 피로의 복잡한 특성으로 인해 손상을 예측하고 재료 성능을 개선하기 위한 맞춤형 접근 방식이 어떻게 필요한지 알아보았습니다. Abaqus와 같은 고급 시뮬레이션 도구는 정확한 해석을 수행하는 데 중요한 역할을 하므로 복합재 엔지니어에게 필수적입니다.
보는 것이 도움이 될 것입니다 Abaqus 문서 Abaqus 시뮬레이션을 시작하기가 얼마나 어려운지 이해하려면 Abaqus 튜토리얼.
그만큼 CAE 보조원 저희는 고객님의 모든 CAE 요구 사항을 충족하기 위해 최선을 다하고 있으며, 고객님의 피드백은 이러한 목표 달성에 큰 도움이 됩니다. 궁금한 점이 있거나 문제가 발생하면 WhatsApp을 포함한 소셜 미디어 계정을 통해 언제든지 공유해 주세요.
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