복합재는 고유한 특성으로 인해 수년간 널리 사용되어 왔지만, 복잡성으로 인해 파손 분석이 어렵습니다. 엔지니어들은 하신(Hashin), 차이우(Tsai-Wu), 차이힐(Tsai-Hill)과 같은 다양한 파손 기준을 사용하여 설계를 진행합니다. 그러나 퍽 실패 기준 보다 세련된 접근 방식을 제공합니다 섬유와 매트릭스 파손을 구별할 뿐만 아니라 정확한 파단면과 다양한 섬유 간 파손 모드를 식별합니다. 이렇게 추가된 세부 정보는 엔지니어가 손상이 어디서 어떻게 시작되는지 예측하는 데 도움이 되며, 이를 통해 더욱 정확한 고장 분석이 가능합니다.
이 블로그에서는 복합재 파괴 모드와 기존 기준이 때때로 부족하게 느껴지는 이유를 살펴봅니다. 퍽 파괴 이론을 분석하고, 섬유 및 매트릭스 파괴의 차이점을 설명한 후, UMAT, VUMAT, USDFLD를 사용하여 Abaqus에서 퍽 파괴 이론을 구현하는 방법을 자세히 살펴봅니다. 이 글을 읽으면 퍽이 시뮬레이션 정확도를 높이고 복합재 설계 결정을 어떻게 개선하는지 이해하게 될 것입니다.
What is Puck Failure Criterion in simple terms?
퍽 파괴 기준은 섬유 강화 복합재를 분석하는 데 유용한 도구입니다. 이는 매트릭스와 섬유의 다양한 유형의 실패를 이해하는 데 도움이 됩니다.. 특히 풍력 터빈 날개와 같이 고성능 구조물을 만들 때 고장을 정확하게 예측하는 것이 매우 중요합니다.
퍽 파괴 기준은 파괴 모드에 대한 보다 자세한 이해를 제공함으로써 복합 구조물의 설계 과정을 크게 향상시킬 수 있습니다.
장점:
- 섬유 간 고장을 예측하는 데 탁월한 정확도를 보여줍니다.
- 철저하고 심층적인 분석을 제공합니다.
- 퍽 기준을 설계 고려 사항에 통합하면 더욱 혁신적이고 복원력이 뛰어난 복합재 솔루션을 개발할 수 있습니다. 예를 들어, 이 기준을 사용하면 특정 응력 조건과 사용되는 복합재의 고유한 특성을 고려한 맞춤형 설계가 가능합니다. 즉, 더 가볍고 강할 뿐만 아니라 다양한 하중에서 더욱 안정적인 구조물을 제작할 수 있습니다.
단점:
- 광범위한 재료 테스트와 꼼꼼한 매개변수 결정이 필요합니다.
- 복잡하고 까다로운 구현 과정이 필요합니다.
- 또한, 설계 단계 초기에 잠재적인 고장 지점을 파악함으로써 특정 부위를 보강하거나 섬유 적층을 조정하는 등 예방 조치를 취할 수 있습니다. 이러한 선제적인 접근 방식은 궁극적으로 더욱 안전하고 효율적인 복합재 구조물을 구축하는 데 기여하며, 이는 항공우주 또는 풍력 에너지와 같이 위험성이 높은 분야에서 특히 중요합니다.
간단히 말해, 퍽 기준은 우리가 더 나은 복합재 구조물을 이해하고 설계하는 데 중요한 역할을 합니다. 이론과 실제 적용을 결합합니다, 따라서 고급 복합재료를 다루는 모든 사람에게 귀중한 자료가 됩니다.
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Puck 기준은 섬유와 매트릭스 파손을 동시에 고려하는 복합재의 필수 손상 모델입니다. 다양한 하중 조건에서 복합재의 손상 시작을 예측하는 실용적인 방법을 제공합니다. 이 교육 패키지는 Abaqus에서 UMAT, VUMAT 및 USDFLD 서브루틴을 사용하여 3D 연속체 요소에서 복합재 PUCK 손상을 시뮬레이션하는 데 중점을 둡니다. 섬유 파손, 매트릭스 균열, 박리 및 계면 파손을 포함한 복합재의 다양한 파손 유형과 Tsai-Wu 및 Tsai-Hill 기준과 같이 서로 종속적이거나 종속적이지 않은 복합재의 파손 모드를 예측하는 기준을 다룹니다. 또한 이 패키지는 Puck 기준을 포함하여 복합재에서 가장 일반적으로 사용되는 손상 기준을 다룹니다. 이 패키지는 Abaqus에서 위에 언급된 각 서브루틴을 사용하여 복합재 Puck 손상을 시뮬레이션하는 단계별 지침을 제공합니다.
What types of failures does the Puck criterion help identify?
Puck 기준은 주로 다음에 초점을 맞춥니다. 섬유 간 고장(IFF)을 구분하고 다양한 섬유 및 매트릭스 고장 모드를 구별합니다.. 이는 까다로운 응용 분야에서 복합 재료의 신뢰성을 보장해야 하는 설계자에게 귀중한 자료가 됩니다.
그 핵심에는, 퍽 기준은 이러한 다양한 실패 모드를 다루는 일련의 방정식을 제공합니다. 이 연구는 단방향 복합재에서 섬유와 섬유 사이의 공간이 어떻게 파손될 수 있는지에 대한 정보를 제공하며, 이를 통해 재료 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 더 명확하게 보여줍니다.
정말 멋진 점은 퍽 기준이 섬유 파손을 두 가지 뚜렷한 모드로 구분하여 분석 결과를 더욱 세부적으로 보여준다는 것입니다. 이 강력한 도구를 효과적으로 사용하려면 두 가지 핵심 사항을 알아야 합니다. 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)인지 유리 섬유 강화 폴리머(GFRP)인지와 같은 복합재의 종류, 그리고 종탄성률과 푸아송 비와 같은 특정 섬유의 특성입니다.
1. 광섬유 고장
퍽 기준의 틀 내에서 섬유 파괴는 두 가지 뚜렷한 모드로 나타납니다. 초기 모드는 인장 파괴에 해당하고, 이후 모드는 압축 "섬유 꼬임" 파괴를 포함합니다. 인장 섬유 파괴 기준은 다음과 같습니다.
그리고 압축 "섬유 꼬임" 실패는 다음과 같습니다.
위 방정식에서 인장 방정식은 다음과 같은 경우 평가됩니다.
압축 기준은 다음의 경우 평가됩니다.
위의 섬유 파손 기준은 다음과 같습니다.
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합성 세로 인장 및 압축 파괴에 해당하는 합성 변형률입니다. |
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복합재료의 단축 변형률. |
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섬유의 종방향 포아송 비 |
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섬유의 종방향 인장탄성률 |
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복합재의 횡응력 |
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복합재의 종방향 전단 변형률 |
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섬유와 매트릭스의 횡응력 차이를 포착하기 위한 것입니다. |
그림 1: 인장 및 압축 하의 섬유 파손 [참조]
2. Inter-Fiber Failure (Matrix Cracking)
퍽 실패 기준의 또 다른 부분을 살펴보고 정말 중요한 내용을 이야기해 보겠습니다. 섬유 간 파손, 매트릭스 균열이라고도 함. 이러한 파손 모드는 복합재료를 튼튼하고 안정적으로 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
그럼, 여기서 무슨 일이 일어나고 있는 걸까요? 섬유 간 파손은 섬유 사이에 있는 매트릭스 재료에 균열이 생기는 것을 말합니다. 이는 복합 구조물의 성능과 수명에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 섬유 간 파손을 면밀히 조사하면 퍽 기준 매트릭스 균열이 섬유 강화 복합재의 기계적 거동과 파손 메커니즘에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 도움이 됩니다.
Puck 프레임워크 내에서, 광섬유 간 고장 매트릭스 균열이나 섬유와 매트릭스가 분리되기 시작하는 모든 경우를 포함합니다. 세 가지 뚜렷한 실패 모드로 구분됩니다., 우리가 부르는 것 모드 A, B, C. 이러한 모드는 파괴면이 강화 섬유와 어떻게 관련되어 있는지에 따라 식별됩니다.
이러한 개념을 탐구함으로써, 우리는 다양한 응용 분야에 맞게 복합 재료를 설계하고 개선하는 방법을 더 잘 이해할 수 있습니다!
그림 2: 3가지 하중 조건에서의 매트릭스 파손 [참조]
- 광섬유 간 고장 모드 A:
파괴각이 0°인 모드 A는 복합재 구조 내에서 횡응력이 0을 초과하는 주요 지표 역할을 합니다. 이 모드는 적용된 횡하중에 수직인 횡균열이 발생하면서 드러나며, 이는 복합재의 구조적 응답에 중요한 전환점을 의미합니다.
- 광섬유 간 고장 모드 B:
모드 B는 횡방향 압축 응력이 균열 전파를 막는 보호막 역할을 하는 영역에서 전개되며, 미리 정의된 파괴 저항 임계값 아래로 떨어지는 종방향 전단 응력과 얽혀 있습니다. 이 모드는 정밀한 계산을 위해 경험적 상수를 통합하여 복합재 매트릭스 내에서 압축력과 전단 응력 사이의 미묘한 상호작용을 밝혀냅니다.
- 광섬유 간 고장 모드 C:
모드 C는 횡방향 압축 응력이 균열 진전을 막는 강력한 장벽으로 작용하는 반면, 상당한 종방향 전단 응력은 섬유 축에 대해 경사면을 따라 파괴를 유발할 수 있는 강력한 힘으로 작용하는 영역으로 나타납니다. 모드 C의 파괴 기준은 이러한 상반되는 힘의 복잡한 균형을 탐구하여 복합재 구조 내에서 파괴 시작 및 전파의 한계점을 제시합니다.
위의 기준은 다음의 경우 평가됩니다.
그림 3: 광섬유 간 고장 모드 [참조]
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합성 종방향 전단 응력 |
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합성 종방향 수직 응력 |
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합성 횡방향 수직 응력 |
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복합재 횡인장강도 |
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복합재 횡압축강도 |
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의 경사면  |
연결을 설정하려면 
그리고 
, Puck은 다음 관계가 성립한다고 가정합니다.
그러므로, 는 다음에 의해 주어진다:
고전적 적층 이론의 평면 내 응력 및 변형률의 맥락 내에서, 
로 정의될 수 있습니다 
이를 통해 Puck은 다음을 표현할 수 있습니다. 
처럼:
이제 우리는 값을 정의해야 합니다. 그리고 
. Puck 및 Mannigal(2007)은 다음과 같은 권장 값을 제공합니다. 그리고 .
| 보강 유형 | |
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| 유리 섬유 | 0.25 | 0.3 |
| 탄소 섬유 | 0.3 | 0.35 |
퍽은 또한 다음을 정의합니다. 
처럼:
마지막으로 우리는 정의해야 합니다. 
. 이는 복합재의 "저하된" 응력으로, 섬유 파괴 전 개별 섬유의 파손을 유발하여 미세 균열 및 결합 분리의 형태로 해당 부위에 국부적인 손상을 초래합니다. 이러한 약화 효과를 설명하기 위해, 퍽(Puck)은 약화 인자를 사용하여 파괴 저항(R)을 저하시킵니다. 
. 퍽은 이를 위해 두 가지 방정식을 정의합니다. 첫 번째는 일반화된 약화 계수에 대한 방정식입니다.
두 번째는 응력에 대해 파괴 조건을 균일하고 1차적으로 유지하기 위해 약화 요인을 다른 식으로 표현하는 것입니다.
Simulation Composite Design에서 고려하는 면내 응력 상태의 경우, 파괴 평면에 대한 반복 계산이 수행되지 않으므로 이 두 값은 동일해야 합니다. 따라서,
Puck의 권장 사항을 기반으로 Simulation Composite Design은 지수에 대해 n=6을 사용하고 경험적으로 계산합니다. 
~처럼 
의 부호에 따라 .
결론적으로, 퍽 파괴 기준은 복합재에서 매트릭스 균열 및 섬유-매트릭스 분리와 같은 섬유 간 파괴 모드를 이해하는 데 도움이 되는 훌륭한 도구입니다. 퍽 파괴 기준은 이러한 파괴 모드를 A, B, C 범주로 분류하고 각 범주에 대한 명확한 기준을 설정함으로써 섬유 강화 복합재의 거동 및 파괴 방식에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.
이 프레임워크는 엔지니어와 연구자들이 복합재 구조물의 설계와 성능을 최적화하는 데 매우 유용합니다. 궁극적으로 재료 과학 및 구조 공학 발전에 큰 역할을 합니다. 따라서 새로운 재료를 설계하든 기존 재료를 개선하든, 퍽 기준은 반드시 활용해야 할 중요한 요소입니다!
Comprehensive Guide for Applying the Puck Failure Criteria in ABAQUS
복합재 설계는 복잡한 파괴 거동으로 인해 까다롭지만, 시뮬레이션을 통해 비용을 절감하고 개발 속도를 높이며 안전성을 향상시킬 수 있습니다. Abaqus에서 Puck 파괴 기준을 적용하면 섬유 파손, 매트릭스 균열, 박리와 같은 주요 파괴 모드를 정확하게 예측할 수 있습니다.
Abaqus에서 퍽(Puck)을 시뮬레이션하기 위해 UMAT, VUMAT, USDFLD라는 세 가지 서브루틴을 사용하며, 각 서브루틴은 특정 역할을 수행합니다. 본 교육에서는 세 가지 서브루틴을 사용하여 3차원 연속체 퍽 손상 시작 모델을 생성하는 방법을 다룹니다. 손상이 발생하면 모델의 속성이 갑자기 손실되어 파손으로 이어진다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 본 교육은 퍽 손상 기준에 중점을 둡니다.
UMAT은 복잡한 정적 재료 거동과 내부 손상 진행을 상세한 구성 모델을 통해 포착하는 데 이상적인 반면, VUMAT은 고변형률 속도 이벤트와 큰 변형을 정확하게 처리하여 동적 해석에 탁월합니다. 한편, USDFLD는 사용자 정의 손상 변수를 명시적으로 추적하고 출력하는 추가적인 이점을 제공하여 UMAT이나 VUMAT만으로는 쉽게 추출할 수 없는 손상 진행에 대한 명확한 그림을 제공합니다.
모든 튜토리얼과 함께 다음을 참고하세요. 검증된 무료 오류 파일은 튜토리얼 패키지를 통해 제공됩니다.; 하지만 다음에서 그 중 일부를 보여드리겠습니다.
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Puck 기준은 섬유와 매트릭스 파손을 동시에 고려하는 복합재의 필수 손상 모델입니다. 다양한 하중 조건에서 복합재의 손상 시작을 예측하는 실용적인 방법을 제공합니다. 이 교육 패키지는 Abaqus에서 UMAT, VUMAT 및 USDFLD 서브루틴을 사용하여 3D 연속체 요소에서 복합재 PUCK 손상을 시뮬레이션하는 데 중점을 둡니다. 섬유 파손, 매트릭스 균열, 박리 및 계면 파손을 포함한 복합재의 다양한 파손 유형과 Tsai-Wu 및 Tsai-Hill 기준과 같이 서로 종속적이거나 종속적이지 않은 복합재의 파손 모드를 예측하는 기준을 다룹니다. 또한 이 패키지는 Puck 기준을 포함하여 복합재에서 가장 일반적으로 사용되는 손상 기준을 다룹니다. 이 패키지는 Abaqus에서 위에 언급된 각 서브루틴을 사용하여 복합재 Puck 손상을 시뮬레이션하는 단계별 지침을 제공합니다.
Simulation Process of Puck criteria in Abaqus
- 다음 영상에서는 Abaqus에서 명시적 및 표준 해석을 수행할 때 모델이 셸 형태로만 시뮬레이션됩니다. 하지만 서브루틴을 사용하여 모델을 3D로 시뮬레이션할 수 있었습니다.
- 모든 방법에서 기계적 물성과 강도는 물성 모듈에 입력됩니다. 이러한 물성은 이 모듈의 props 서브루틴에서 정의됩니다. 이 종합적인 교육 시리즈는 ABAQUS 내 3D 연속체 요소에서 복합 PUCK 손상 시뮬레이션에 중점을 둡니다. T700/에폭시.
- 이 모델링에서는 명시적 분석과 표준 분석에 대해 Tsai-Hill 파괴 기준을 고려했고, 서브루틴에 대해서는 Puck 기준을 고려했습니다.
- 모델의 경계 조건은 한 쪽에서는 모델이 모든 방향으로 고정되고, 다른 쪽에서는 변위 제어를 사용하여 압축력이 가해지는 것입니다.
- 결과 및 검증: 마지막으로, 다섯 가지 방법을 모두 비교하고 실패 결과의 근접성을 관찰한 결과, 앞으로 이러한 서브루틴을 사용하여 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있다는 것을 깨달았습니다.
Detailed Breakdown of the Subroutines
유맷
잘 UMAT 서브루틴을 줄별로 작성하는 방법을 안내해 드립니다., 각 부분의 기능을 실제로 이해하게 될 것입니다. 코드를 관리하기 쉬운 단위로 나누어서 설명함으로써, 단순히 코드를 암기하는 데 그치지 않고 작동 방식을 진정으로 이해할 수 있도록 도와드립니다.
- 목적: UMAT 서브루틴을 사용하면 표준 라이브러리에서 제공되지 않는 사용자 정의 재료 거동을 정의할 수 있습니다. 이러한 유연성은 복합 재료의 일반적인 비선형 거동을 시뮬레이션하는 데 필수적입니다.
- 장점: UMAT의 중요한 장점 중 하나는 복잡한 응력-변형률 관계를 모델링할 수 있다는 것입니다. 섬유의 배향을 포함하여 다양한 하중 조건에서 복합재의 고유한 반응을 포착할 수 있습니다.
메모: 퍽 고장 기준에 대한 서브루틴에 구현된 공식은 앞서 블로그에서 논의된 세부 버전에 비해 간소화되고 실용적입니다. 전체 방정식을 간소화된 형태로 표현하여 시뮬레이션 작업을 더욱 용이하게 합니다.
그림 4: 3D 모델에서 Puck 기준을 시뮬레이션하기 위해 작성된 UMAT 서브루틴의 일부
부마트
하지만 그게 전부가 아닙니다! 또한 퍽 이론 모델링을 위한 VUMAT 서브루틴, 매우 다재다능하며 점탄성 및 손상 진화와 같은 더욱 복잡한 재료 모델을 처리할 수 있는 . Abaqus 명시적 솔버를 사용하여 VUMAT 서브루틴을 검증하고, 복합 재료에 대한 시뮬레이션을 실행하고, 예측 결과를 실험 데이터와 비교하는 방법을 배우게 됩니다. 이 검증 과정은 매우 중요하며 모델링 기술에 대한 자신감을 키우는 데 도움이 됩니다.
- 목적: VUMAT는 명시적 동적 분석을 위해 특별히 설계되어 충격이나 폭발 하중 시나리오와 같은 높은 변형률 속도 사건에 적합합니다.
- 장점: VUMAT의 주요 장점은 동적 상호작용을 정확하게 처리할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 복합재가 갑작스러운 하중에 어떻게 반응하는지 효과적으로 시뮬레이션하여 극한 상황에서의 성능에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다.
미국 달러
그래도 충분하지 않다면 다음을 포함합니다. 퍽 이론을 위한 USDFLD 서브루틴, 복합재의 손상 거동을 세부적으로 시뮬레이션하는 방법을 배웁니다. 이 서브루틴을 사용하면 시간에 따라 변하는 필드 변수를 정의하여 다양한 하중 조건에서 손상이 어떻게 진행되는지 동적으로 확인할 수 있습니다.
- 목적: USDFLD 서브루틴을 사용하면 재료 모델에 추가적인 상태 변수를 통합할 수 있습니다. 이러한 변수는 손상 수준이나 기타 환경적 영향과 같은 요소를 나타낼 수 있습니다.
- 장점: USDFLD는 시뮬레이션 전반에 걸쳐 이러한 변수들이 어떻게 변화하는지 추적하는 데 탁월하여 손상 누적과 재료 성능에 미치는 영향에 대한 통찰력을 제공합니다. 이러한 추가 변수를 통합함으로써 시뮬레이션의 정확도를 향상시킬 수 있으며, 특히 재료의 점진적인 열화를 이해하는 것이 중요한 피로 해석에서 더욱 그렇습니다.
Different Failure Criteria in Composite Materials
복합 재료를 분석할 때는 부품의 강도와 신뢰성을 보장하기 위해 다양한 유형의 파손을 고려하는 것이 중요합니다. 복합재 분석에서 일반적으로 검토되는 주요 파손 모드는 다음과 같습니다.
- 섬유 파손
- 매트릭스 크래킹
- 박리
아래 그림에서는 복합재료의 다양한 유형의 손상과 파손 모드를 볼 수 있습니다.
그림 5: 복합재료의 다양한 유형의 파손 [참조]
복합재 분석과 관련하여 설계자들은 이러한 복잡한 재료의 문제를 예측하고 예방하는 데 도움이 되는 몇 가지 고장 기준을 제시해 왔습니다. 이러한 지침은 복합재 부품의 강도와 신뢰성을 유지하는 데 매우 유용합니다.
아래 다이어그램에서는 복합재 파괴 기준의 분류를 한눈에 보고 이를 이해하고 각 기준의 차이점을 한눈에 알아볼 수 있습니다.
그림 6: 복합재 파손 기준
이 교육 패키지는 시뮬레이션에 중점을 둡니다. Puck Failure Criterion을 사용한 복합 손상 ~에 3D 연속체 요소 사용 중 UMAT, VUMAT 및 USDFLD 서브루틴 Abaqus에서. 섬유 파손, 매트릭스 균열, 박리 및 계면 파손을 포함한 복합재의 다양한 파손 유형과 기준에 대해 다룹니다. 복합재의 파손 모드 예측 서로 종속적이거나 종속적이지 않은 패키지입니다. 복합 퍽 이론 시뮬레이션에 대한 단계별 지침 Abaqus에서 위에 언급된 각 서브루틴을 사용합니다.
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Puck 기준은 섬유와 매트릭스 파손을 동시에 고려하는 복합재의 필수 손상 모델입니다. 다양한 하중 조건에서 복합재의 손상 시작을 예측하는 실용적인 방법을 제공합니다. 이 교육 패키지는 Abaqus에서 UMAT, VUMAT 및 USDFLD 서브루틴을 사용하여 3D 연속체 요소에서 복합재 PUCK 손상을 시뮬레이션하는 데 중점을 둡니다. 섬유 파손, 매트릭스 균열, 박리 및 계면 파손을 포함한 복합재의 다양한 파손 유형과 Tsai-Wu 및 Tsai-Hill 기준과 같이 서로 종속적이거나 종속적이지 않은 복합재의 파손 모드를 예측하는 기준을 다룹니다. 또한 이 패키지는 Puck 기준을 포함하여 복합재에서 가장 일반적으로 사용되는 손상 기준을 다룹니다. 이 패키지는 Abaqus에서 위에 언급된 각 서브루틴을 사용하여 복합재 Puck 손상을 시뮬레이션하는 단계별 지침을 제공합니다.
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