우리는 어떻게 정확한 순간을 예측합니까? 복합재료 압력 하에서 파손될까요? 하신 파손 기준(Hashin Failure Criteria)은 섬유 강화 복합재의 복잡한 파손 거동을 분석하여 엔지니어가 손상 발생 방식과 시기를 예측할 수 있도록 강력한 해답을 제공합니다.
하신 손상 기준은 섬유 강화 복합재를 위해 특별히 개발되었습니다. 이 기준은 섬유 또는 매트릭스 중 어디에서 파손이 발생하는지 파악하여 응력 하에서 재료의 거동을 더욱 명확하게 보여줍니다. 이러한 접근 방식은 시뮬레이션, 특히 실제 적용 분야에서 흔히 발생하는 여러 유형의 응력이 관련된 경우에 적합합니다.
이 블로그에서는 하신 손상 기준(Hashin Damage Criterion)을 자세히 살펴보고, 2D 및 3D 형태와 그 차이점을 설명합니다. 또한 Abaqus에서 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)와 다음과 같은 서브루틴을 사용하여 하신 손상 기준을 살펴보겠습니다. 유맷, 엔지니어가 이 강력한 이론을 사용하여 복합 재료 손상을 시뮬레이션하는 방법에 대한 통찰력을 제공합니다.
| Item | 설명 |
|---|---|
| Applicable materials | Fiber-reinforced composites (UD & laminated) |
| Failure type | Progressive damage (mode-based) |
| Failure modes | Fiber tension, fiber compression, matrix tension, matrix compression |
| Implementation in Abaqus | Built-in (Damage Initiation + Evolution) |
| Required inputs | Tensile/compressive strengths + shear strength |
| Typical use case | Damage initiation + progressive failure simulation |
| 2D vs 3D | 2D: plane stress laminates / 3D: solid composites |
| Main advantage | Separates fiber and matrix failure mechanisms |
| Main limitation | No intrinsic strain-rate or impact dependency |
What are the Hashin Failure Criteria?
하신 파괴 기준(Hashin Failure Criteria)은 섬유 강화 복합재와 같은 복합재의 다양한 유형의 손상을 예측하기 위해 고안된 파괴 이론입니다. 즈비 하신(Zvi Hashin)이 개발한 이 기준은 섬유와 매트릭스의 파괴를 구분하여 최대 응력이나 변형률 이론과 같은 기존 기준에 비해 복합재의 파괴 메커니즘을 더욱 세부적으로 예측합니다.
하신 파괴 기준은 손상이 섬유에서 발생하는지, 아니면 매트릭스에서 발생하는지에 따라 파괴 모드를 구분합니다. 복합재에서 일반적으로 나타나는 물리적 파괴 모드를 기반으로 다양한 유형의 손상에 대해 서로 다른 방정식을 사용합니다. 따라서 섬유 강화 폴리머와 같은 복잡한 재료에 적용할 때 이 기준의 정확도가 더욱 높아집니다.
하신 기준은 독립적인 인장 응력이나 전단 응력뿐만 아니라 여러 응력이 상호 작용하는 것을 포함하기 때문에 상호작용적인 파괴 기준입니다. 따라서 여러 응력이 동시에 파괴에 기여하는 복합재에 매우 적합합니다.
Damage in Composite Materials
섬유 강화 폴리머와 같은 복합 재료는 불균일한 특성으로 인해 다양한 메커니즘을 통해 손상을 입습니다. 복합 재료의 손상은 복잡하며 다양한 형태로 발생할 수 있습니다.
- 매트릭스 크래킹: 복합재의 매트릭스(폴리머 또는 수지)에 균열이 생겨 하중 지지 용량이 손실될 수 있습니다.
- 섬유 파손: 하중을 지탱하는 주요 역할을 하는 섬유는 스트레스를 받으면 끊어질 수 있으며, 이로 인해 강성과 강도가 크게 저하됩니다.
- 박리: 적층 복합재에서 층이 분리되는 현상을 층분리라고 하며, 이로 인해 구조가 크게 약화될 수 있습니다.
- 파이버 매트릭스 디본딩: 섬유와 매트릭스 사이의 결합이 끊어져 매트릭스와 섬유 사이의 하중 전달 능력이 감소할 수 있습니다.
그림 1: 손상된 복합재료 [참고]
Why Hashin’s theory?
하신(Hashin) 파괴 기준은 매트릭스와 파이버 모두의 파괴를 예측할 수 있기 때문에 사용됩니다. 이 기준은 다음과 같은 계산 시뮬레이션에 사용됩니다. 유한요소해석 복합재 파손의 정확한 예측이 필요할 때 (FEA)를 사용합니다. 이 이론을 사용한 이유는 다음과 같습니다.
- 복합재 파손 예측의 정확도: 최대 응력이나 변형 이론과는 달리 하신의 기준은 섬유와 매트릭스 모두에서 다양한 파손 모드를 고려하여 복합재가 파손되는 방식을 보다 정확하게 표현합니다.
- 파이버와 매트릭스에 대한 별도의 고장 모드: 하신 기준은 섬유와 매트릭스의 파손을 별도로 평가하여 복합재의 두 부분에 대한 명확하고 현실적인 파손 예측을 가능하게 합니다.
- 다재: 인장 및 압축 파괴 모드 모두에 사용할 수 있으므로 광범위한 하중 조건에 적합합니다.
- FEA에서의 구현: 하신 기준은 일반적으로 유한 요소 소프트웨어(예: Abaqus)에 구현되어 복합 재료의 거동에 대한 자세한 시뮬레이션을 가능하게 합니다.
- 복잡한 로딩에 적용 가능: 이는 복합재료의 실제 적용에서 흔히 볼 수 있는 결합된 하중 조건을 설명합니다.
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2D and 3D form of Hashin Damage Criteria Theory
하신 손상 기준(하신 파괴 기준)은 2차원 및 3차원 응력 상태 모두에 적용할 수 있습니다. 두 형태 모두 기본적인 개념은 동일하지만, 고려되는 응력 성분은 해석이 2차원인지 3차원인지에 따라 달라집니다.
| 실패 모드 | 2D Hashin | 3D Hashin |
|---|---|---|
| Fiber Tension | $\left( \frac{\sigma_{11}}{X_T} \right)^2 + \left( \frac{\tau_{12}}{S_L} \right)^2 \ge 1$ | $\left( \frac{\sigma_{11}}{X_T} \right)^2 + \left( \frac{\sigma_{12}}{S_{12}} \right)^2 + \left( \frac{\sigma_{13}}{S_{13}} \right)^2 \ge 1$ |
| Fiber Compression | $\left( \frac{\sigma_{11}}{X_c} \right)^2 \ge 1$ | $\left( \frac{\sigma_{11}}{X_c} \right)^2 \ge 1$ |
| Matrix Tension | $\left( \frac{\sigma_{22}}{Y_T} \right)^2 + \left( \frac{\tau_{12}}{S_L} \right)^2 \ge 1$ | $\left( \frac{\sigma_{22} + \sigma_{33}}{Y_T} \right)^2 + \frac{\sigma_{23}^2 – \sigma_{22}\sigma_{33}}{S_{23}^2} + \left( \frac{\sigma_{12}}{S_{12}} \right)^2 + \left( \frac{\sigma_{13}}{S_{13}} \right)^2 \ge 1$ |
| Matrix Compression | $\left( \frac{\sigma_{22}}{2S_T} \right)^2 + \left[ \left( \frac{Y_c}{2S_T} \right)^2 – 1 \right] \frac{\sigma_{22}}{Y_c} + \left( \frac{\tau_{12}}{S_L} \right)^2 \ge 1$ | $\frac{\sigma_{22} + \sigma_{33}}{Y_c} \left[ \left( \frac{Y_c}{2S_{23}} \right)^2 – 1 \right] + \left( \frac{\sigma_{22} + \sigma_{33}}{4S_{23}^2} \right)^2 + \frac{\sigma_{23}^2 – \sigma_{22}\sigma_{33}}{S_{23}^2} + \left( \frac{\sigma_{12}}{S_{12}} \right)^2 + \left( \frac{\sigma_{13}}{S_{13}} \right)^2 \ge 1$ |
하신 손상 기준의 2D와 3D 형태 사이의 주요 차이점은 관련된 응력 구성 요소의 수에 있습니다.
-
2D Form: In 2D, we typically deal with a plane stress state, which includes normal stresses in two directions ($\sigma_{11}, \sigma_{22}$) and shear stress in the plane ($\tau_{12}$).
-
3D Form: In 3D, the stresses are expanded to include normal stresses in three directions ($\sigma_{11}, \sigma_{22}, \sigma_{33}$) 및 세 평면 모두의 전단 응력($\tau_{12}, \tau_{23}, \tau_{13}$).
일반적으로 2D 분석은 평면 내의 두 방향(종종 1-2 평면이라고 함)에 초점을 맞추는 반면, 3D 분석에는 평면 외부 응력을 포함한 모든 응력이 포함됩니다.
그림 2: 2D 및 3D 응력 구성 요소
2D Hashin Damage Criteria (hashin failure criteria) Theory
2D 하신 파괴 기준에서는 면내 응력에 초점을 맞춥니다. 섬유와 매트릭스의 인장 및 압축 파괴 방정식은 이러한 면내 응력 성분을 기반으로 도출됩니다.
- 섬유 장력(2D):
섬유 장력의 기준은 다음과 같습니다.
어디:
- $\sigma_{11}$ : 섬유 방향의 종방향 응력입니다.
- $X_T$ : 섬유의 종방향 인장 강도입니다.
- $\tau_{12}$ : 전단응력입니다.
- $S_L$ : 종방향 전단 강도입니다.
이러한 조건이 충족되면 인장 섬유 파괴가 발생합니다.
- 섬유 압축(2D):
섬유 압축의 경우:
어디 $X_c$는 섬유의 종방향 압축강도입니다. 섬유의 압축 파괴는 주로 종방향 응력에 의해 결정되므로 이 방정식은 더 간단합니다.
- 매트릭스 장력(2D):
매트릭스 장력의 경우 파괴는 다음에 의해 결정됩니다.
어디:
- $\sigma_{22}$ :는 횡방향 수직응력(섬유에 수직인 방향의 응력)입니다.
- $Y_T$ : 는 매트릭스의 횡인장강도입니다.
- 매트릭스 압축(2D):
매트릭스 압축의 경우 다음과 같은 경우 실패가 발생합니다.
어디:
- $Y_c$ : 는 매트릭스의 횡압축강도입니다.
- $S_T$ : 횡방향 전단강도입니다.
2D에서는 1-2 평면(평면 내 종방향, 횡방향, 전단 응력)의 응력만 고려하므로 해석 및 방정식이 간소화됩니다. 위에서 언급한 네 가지 조건 중 하나라도 충족되면 하신 파괴 기준의 관점에서 복합재의 파괴를 의미합니다.
3D Hashin Failure Criteria Theory
3D 하신 파괴 기준에서는 방정식이 세 번째 방향(세 번째 축, 면외 방향)의 응력을 포함하도록 확장됩니다. 면외 응력은 많은 실제 응용 분야에서 매우 중요하기 때문에, 이를 통해 파괴에 대한 더욱 포괄적인 분석이 가능합니다.
- 섬유 장력(3D):
3D에서 섬유 장력에 대한 파괴 기준은 유사하지만 확장되었습니다.
어디:
- $\sigma_{12}, \sigma_{31}$ and : are the shear stresses in different directions.
- $S_{12}, S_{31}$ : 는 종방향 및 횡방향의 전단강도입니다. 다른 용어는 2D 하신 기준과 동일합니다.
- 섬유 압축(3D):
3D로 섬유 압축을 위해:
이는 압축 파괴가 여전히 종방향 응력에 의해 크게 좌우되기 때문에 2D 사례와 동일합니다.
- 매트릭스 텐션(3D):
3D에서의 매트릭스 장력에 대해:
- 매트릭스 압축(3D):
3D에서의 매트릭스 압축의 경우:
또한, 그림 3에서는 3D 하신 관계를 기반으로 그려진 하신 파괴 범위를 볼 수 있습니다.
그림 3: 실패 범위 
하신의 기준으로 예측됨
Differences Between 2D and 3D Hashin Forms
| 카테고리 | 2D Hashin | 3D Hashin |
|---|---|---|
| Dimensions | Focuses on in-plane stresses ($\sigma_{11}$, $\sigma_{22}$, $\tau_{12}$) | Includes out-of-plane stresses |
| Failure Modes | Fiber tension, fiber compression, matrix tension, matrix compression | Same failure modes |
| Equations | Simpler, fewer stress components | More complex, and involves additional normal and shear stresses |
| 응용 프로그램 | 2D laminar composites (thin laminates) | 3D bulk composites or situations with significant out-of-plane stresses |
2D 하신 기준은 얇은 적층판이나 판상 구조물처럼 응력이 주로 2차원에 국한되는 재료를 분석하는 데 사용됩니다. 반면, 3D 하신 기준은 두꺼운 복합재나 면외 응력이 큰 경우에 필수적입니다. 두 방식 모두 파괴 예측에 효과적이지만, 복합재의 응력 상태 특성을 기반으로 적용됩니다.
그림 4: 섬유 강화 복합재의 손상 [참조]
여기에서는 Abaqus에서 3D Hashin 손상 시뮬레이션을 위한 "라는 제목의 전체 튜토리얼이 있습니다.“복합재료에 대한 3D Continuum Abaqus Hashin 점진적 손상“.
Hashin Damage Criteria in Abaqus: Using GUI and subroutines for simulation (UMAT -USDFLD)
Abaqus의 Hashin 손상 기준은 GUI(그래픽 사용자 인터페이스)를 통해 직접 구현할 수 있습니다. 복합 손상 모델링. Abaqus는 섬유 강화 복합 재료, 특히 다축 하중 조건에서의 진행성 손상 해석에 사용되는 Hashin 기준을 사용하는 내장 손상 모델을 제공합니다. 한편, Hashin 기준은 Abaqus의 UMAT과 같은 다양한 서브루틴을 사용하여 구현할 수 있습니다. 다음 단계에서는 이러한 방법들을 자세히 설명하겠습니다.
Damage Initiation and Damage Evolution
Abaqus에서 손상 시작 및 손상 진전은 복합재, 특히 섬유 강화 복합재의 파손을 시뮬레이션하는 데 중요한 요소입니다. 이를 통해 사용자는 파손 시작 및 그에 따른 재료 열화를 모델링하여 하중 하에서 복합재 구조물이 파손되는 방식을 사실적으로 표현할 수 있습니다.
손상 시작은 재료가 가해진 응력이나 변형으로 인해 파손되거나 열화되기 시작하는 지점을 의미합니다. 복합재의 경우, 하중 조건 및 재료 특성에 따라 섬유 파손, 매트릭스 균열 또는 박리로 인해 손상이 시작되는 경우가 많습니다. Abaqus에서는 손상 시작이 파손 기준에 따라 결정됩니다. 복합재의 경우, 섬유와 매트릭스의 파손(인장 및 압축 모드)을 각각 구분하여 식별하는 Hashin 기준(Hashin damage Abaqus)이 일반적으로 사용됩니다. 모델링 방법을 알아보려면 튜토리얼의 첫 번째 워크숍에서 Hashin 실패 기준을 사용한 손상 개시.
Abaqus에서 복합재의 손상 시작은 일반적으로 속성 모듈에서 정의됩니다. 이 모듈에서 "섬유 강화 복합재 손상" 옵션을 선택하면 하신 파괴 기준에 접근할 수 있습니다.
그림 5: Abaqus의 Hashin 손상
이 기준을 사용하려면 다음 매개변수를 결정해야 합니다.
- 섬유 인장 강도 $X_T$
- 섬유 압축 강도 $X_c$
- 매트릭스 인장 강도 $Y_T$
- 매트릭스 압축 강도 $Y_c$
- 각각 종방향 및 횡방향 전단 강도 $S_L$ 그리고 $S_T$.
아래 그림에서는 Hashin 손상 Abaqus의 필수 매개변수가 소프트웨어에 표시되어 있습니다.
그림 6: 하신 실패 기준 매개변수
반면, 손상 진전은 손상 시작 후 재료의 열화 진행을 설명하며, 파손이 진행됨에 따라 재료의 강성과 강도가 감소하는 현상을 시뮬레이션하는 메커니즘을 제공합니다. 복합재에서 손상 진전은 섬유 파손, 매트릭스 균열, 박리와 같은 현상을 모델링하는 데 매우 중요합니다.
복합재 적층판의 특정 재료 지점에서 파손이 확인되면, 해당 지점의 재료 특성은 선택된 열화 모델에 따라 수정되어야 합니다. 이러한 조정은 다음 세 가지 열화 모드 중 하나를 통해 이루어질 수 있습니다. 0으로의 즉각적인 감소, 아 지정된 일정한 스트레스 수준으로의 감소 또는 점진적인 감소 미리 정의된 경로를 따라. 각 접근 방식은 그림에서 볼 수 있듯이 손상 후 재료 무결성 손실을 모델링하는 서로 다른 방법을 나타냅니다.
그림 7: 손상 시작 후 복합재의 다양한 특성 감소
순간적인 감소는 파괴 지점에서 모든 재료 강도를 제거하여 하중 지지력을 사실상 없앱니다. 반대로, 일정 응력 감소는 파괴 후에도 응력을 고정된 값으로 제한하여 일부 잔류 강도를 보존합니다. 마지막으로, 점진적인 감소는 강도의 점진적인 손실을 허용하여 시간 경과에 따라 또는 지속적인 하중 하에서 손상이 어떻게 전파되는지 시뮬레이션합니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 점진적인 감소는 선형적이거나 지수 함수와 같은 다양한 함수의 함수일 수 있습니다.
점진적 손상에서는 손상이 시작되면 재료가 즉시 파괴되지 않습니다. 대신, 손상이 구조물 전체로 확산됨에 따라 시간이 지남에 따라 재료의 특성이 저하됩니다. 손상 진행은 종종 파괴 에너지 또는 에너지 소산을 사용하여 정의됩니다. 균열이 전파될 때 재료가 얼마나 많은 에너지를 흡수하는지 시뮬레이션하는 것이 핵심입니다.
손상 진화에는 일반적으로 손상 시작 기준이 충족된 후 재료의 강성을 감소시키는 연화 모델이 포함됩니다. 예를 들어, 섬유 또는 매트릭스 파괴와 관련된 파괴 에너지는 손상이 시작된 후 재료의 강성이 얼마나 빨리 저하되는지를 결정합니다.
손상 시작 기준을 정의한 후 손상 진행을 활성화할 수 있습니다. Abaqus 사용자는 속성 모듈에서 섬유 강화 복합재의 손상을 선택하고 손상 시작 기준을 정의한 후, 손상 진행을 선택하여 손상 진행 방식을 지정할 수 있습니다.
Abaqus는 사용자에게 선형적 점진적 물성 감소만 제공한다는 점을 기억하십시오. 선형 함수를 제외한 점진적 물성 감소를 위해서는 해당 함수를 서브루틴으로 모델링해야 합니다. 이를 위해서는 응력과 변형률의 관계를 정의하는 재료의 강성 행렬을 결정해야 합니다. 다음 단계에서는 사용자에게 이러한 기능을 제공하는 서브루틴을 소개합니다.
그림 8: Abaqus의 데미지 진화 옵션
점진적 손상을 사용하려면 파괴 에너지를 결정해야 합니다. 이 값은 실험 결과를 바탕으로 도출되었으며 재료 상수입니다.
그림 9: Abaqus의 데미지 진화 매개변수
The below figure presents a piece of the .inp file, where the material parameters associated with the Hashin failure theory have been implemented. In this section, the parameters related to damage initiation and damage evolution are introduced to model the progressive failure behavior.
요소 삭제
In the present damage modeling framework, the Hashin failure criterion was employed to identify the onset of different composite failure modes, including fiber and matrix failure under tensile and compressive loading conditions. Once the initiation criteria were satisfied, stiffness degradation was introduced through the damage evolution law, and Abaqus element deletion was activated when the material degradation reached its critical limit.
This procedure enables the numerical simulation of severe material failure, crack propagation, and the complete loss of load-carrying capacity in highly damaged regions.
Characteristic Element Length
The characteristic element length is an important parameter in continuum damage mechanics models based on the Hashin criterion, particularly when damage evolution is defined using fracture energy concepts. Since the predicted softening response may become dependent on mesh size, the characteristic element length is used to regularize the energy dissipation during damage progression.
In this way, the amount of energy released during failure remains more consistent for different mesh densities, leading to more objective numerical results. Therefore, in combination with the Hashin criterion, the characteristic element length plays a key role in achieving mesh-independent and physically meaningful progressive damage simulations.
Subroutine and Hashin failure criteria
Abaqus의 서브루틴은 사용자 정의 재료 모델, 구성적 거동 및 사용자 정의 필드 변수를 지원합니다. Abaqus에는 소프트웨어의 기본 기능을 확장하는 데 사용할 수 있는 다양한 서브루틴이 있으며, 여기에는 다음이 포함됩니다.
- UMAT(사용자 자료 서브루틴): Abaqus/Standard에서 정적 및 준정적 문제에 대한 사용자 정의 재료 모델을 정의하는 데 사용됩니다.
- USDFLD(사용자 정의 필드 서브루틴): 사용자가 재료 반응에 영향을 미치는 사용자 정의 필드 변수를 정의할 수 있습니다.
메모: 이 튜토리얼 비디오에는 Hashin 이론을 시뮬레이션하기 위한 UMAT 및 USDFLD 서브루틴에 대한 완전한 튜토리얼이 있습니다.“Abaqus에서 3차원 연속체 요소의 복합 Hashin 손상 시뮬레이션(UMAT-VUMAT-USDFLD)“.
서브루틴은 사용자에게 Abaqus 기본 라이브러리에서 제공하지 않는 더욱 복잡한 재료 모델, 상호작용 및 손상 기준을 구현할 수 있는 유연성을 제공합니다. 그렇다면 하신 손상 Abaqus 모델링에 서브루틴을 사용해야 하는 경우는 언제일까요? 다음과 같은 경우 하신 손상 Abaqus 모델링에 서브루틴을 사용하는 것이 좋습니다.
- 사용자 정의 실패 기준이 필요합니다.: Abaqus에 내장된 Hashin 손상 기준이 비표준 하중 조건이나 다중 스케일 모델링을 고려해야 하는 경우와 같이 분석에 충분하지 않은 경우입니다.
- 점진적 손상 또는 사용자 정의 손상 진화: Abaqus가 기본적으로 제공하는 것보다 더 복잡한 진행형 손상 모델링의 경우, 서브루틴을 사용하여 사용자가 사용자 정의 손상 진화 법칙을 정의할 수 있습니다.
Abaqus/Standard의 서브루틴에서 Hashin 실패 기준을 구현하기 위해 UMAT 서브루틴을 사용하려면 다음을 수행합니다.
- 1단계: 재료 거동 정의: UMAT 서브루틴에서 복합재의 응력-변형률 관계를 정의합니다. 하신(Hashin) 파괴 기준을 사용하여 파괴 시작 시점을 계산한 후, 손상 상태에 따라 재료 강성을 감소시킵니다.
- 2단계: 점진적 손상: 손상이 누적됨에 따라 재료의 강성을 줄이기 위해 손상 진화 모델을 구현하고 각 반복에서 응력과 변형률을 업데이트합니다.
- 3단계: 출력 변수: 시뮬레이션 후 시각화할 출력 변수(예: 손상 매개변수)를 정의합니다.
USDFLD 서브루틴:
- 1단계: 사용자 정의 필드 변수: USDFLD를 사용하여 손상 증가나 변형률 연화와 같이 재료 반응에 영향을 미치는 사용자 정의 필드 변수를 정의합니다.
- 2단계: 재료 모델과의 상호 작용: USDFLD에 정의된 필드 변수는 재료 모델과 상호 작용하여 Hashin 기준에 따라 복합 재료의 강성, 강도 또는 파손 동작을 변경할 수 있습니다.
Hashin vs Tsai-Hill vs Tsai-Wu
To evaluate the performance of composite laminates under different loading conditions, several failure criteria have been developed based on distinct mathematical formulations and physical assumptions. Among the most widely used criteria are Hashin, Tsai-Hill, and Tsai-Wu, each offering a different level of accuracy, complexity, and capability in predicting failure initiation. While some criteria are better suited for preliminary strength assessment, others are more appropriate for advanced progressive damage simulations in finite element environments such as Abaqus. The following table presents a technical comparison of these three commonly used composite failure theories.
| 특징 | 하신 기준 | 차이-힐 기준 | 차이우 기준 |
|---|---|---|---|
| Application | Unidirectional and laminated fiber-reinforced composites | Anisotropic brittle materials and laminated composites | Orthotropic composites under multiaxial loading |
| Failure Mode Identification | Yes; Fiber Tension / Fiber Compression / Matrix Tension / Matrix Compression | 아니요 | 아니요 |
| Tension-Compression Asymmetry | Fully considered | 제한된 | Fully considered |
| Fiber Orientation Dependence | Explicit and direct | Indirect through directional strengths | Explicit through tensor coefficients |
| Sensitivity to In-plane Shear Stress | 높은 | 보통의 | 높은 |
| Matrix Failure Prediction | 훌륭한 | 제한된 | 보통의 |
| Fiber Failure Prediction | 훌륭한 | 보통의 | 좋은 |
| Progressive Damage Modeling | 훌륭한 | 가난한 | 보통의 |
| Common Use in Abaqus | Damage Initiation + Damage Evolution | Failure Index | Failure Index / User Material |
| 계산 비용 | 보통의 | Low | 보통의 |
| Main Advantage | Realistic representation of composite failure mechanisms | Simplicity, speed, minimal material data | Accurate multiaxial failure prediction with tension/compression asymmetry |
The comparison shows that no single criterion is universally superior; rather, the appropriate selection depends on the objective of the analysis. Tsai-Hill is often preferred for fast and simplified strength estimation, whereas Tsai-Wu failure criterion is more effective for multiaxial stress interaction problems. However, when failure mode identification, stiffness degradation, and damage evolution are required, Hashin is generally considered the most reliable option for composite damage modeling. Therefore, engineers should choose the criterion according to the required fidelity, available material data, and computational objectives.
데미지 개시 + 점진적 손상 (검출 시 재료 특성의 즉각적 또는 갑작스러운 감소) + 단계별 가이드 사용 유맷, VUMAT, USDFLD 서브루틴
Abaqus에서 복합재 손상을 마스터하고 싶으신가요? VUMAT를 사용한 Hasin 프로그레시브 손상 모델링에 완벽해요 점진적인 손상 심층적인 워크숍을 통한 분석에서 UMAT, VUMAT 및 USDFLD를 사용한 복합 하신 손상 에 초점을 맞춘다 갑작스러운 손상 쉽게 구현할 수 있는 서브루틴을 통해 분석할 수 있습니다. 필요에 따라 각 패키지를 아래에서 클릭하세요.
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3D 연속체 요소 + 하신 실패 기준 + 데미지 개시 + 점진적 손상 (에너지 방법에 따른 점진적 저하) + 단계별 가이드 사용 VUMAT 서브루틴
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3D 연속체 요소 + 하신 실패 기준 + 데미지 개시 + 점진적 손상 (검출 시 재료 특성의 즉각적 또는 갑작스러운 감소) + 단계별 가이드 사용 유맷, VUMAT, USDFLD 서브루틴 |
결론
본 논문에서는 복합재, 특히 섬유 강화 복합재의 손상을 예측하는 데 사용되는 파괴 이론인 하신 손상 기준(Hashin Damage Criteria)을 살펴보았습니다. 하신 손상 기준은 파괴 모드에 대한 상세한 분석을 제공하여 유한요소해석에서 정확한 시뮬레이션을 위한 필수적인 도구입니다.
하신 파괴 기준을 이해하는 것은 복합재가 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있으며, 파괴를 정확하게 예측하면 설계 및 안전성 향상에 도움이 되기 때문에 매우 중요합니다. 먼저 하신 파괴 기준이 다루는 복합재의 매트릭스 균열 및 섬유 파손과 같은 다양한 손상 메커니즘을 살펴보았습니다. 그런 다음 하신 파괴 기준의 2D 및 3D 형태를 설명하고 두 경우 모두에서 응력 성분이 어떻게 처리되는지 보여주었습니다. 마지막으로, 손상 시작 및 진행에 초점을 맞춰 GUI 또는 서브루틴을 사용하여 Abaqus에서 하신 파괴 기준을 구현하는 방법을 논의했습니다.
전반적으로, 하신 손상 기준은 복합재의 거동을 시뮬레이션하는 효과적인 방법이며, 기존의 파괴 이론보다 더 정확한 예측을 제공한다는 것을 알게 되었습니다.
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Hashin Failure Criterion FAQs
1. What is the Hashin failure criterion in composite materials?
The Hashin failure criterion is a widely used damage model for fiber-reinforced composites that predicts failure initiation based on stress components and distinguishes between different failure mechanisms in fibers and matrix.
2. What are the failure modes defined by Hashin?
Hashin typically defines four main failure modes: fiber tension, fiber compression, matrix tension, and matrix compression. This mode separation makes it more realistic than many interactive criteria.
3. Why are elements not deleting in Abaqus when using the Hashin damage model?
Elements usually do not delete because only Damage Initiation has been defined. To enable deletion, Damage Evolution and element removal settings must also be properly activated.
4. What is the difference between the 2D and 3D Hashin failure criteria?
The 2D Hashin criterion is mainly used for plane stress laminate models, while the 3D version includes out-of-plane stresses and is more suitable for solid composite elements.
5. Do I need a UMAT or VUMAT subroutine to use the Hashin criterion in Abaqus?
Not always. Abaqus provides a built-in Hashin model for many composite analyses. However, UMAT or VUMAT is needed for advanced custom damage criteria.
6. What is the difference between Damage Initiation and Damage Evolution in Hashin?
Damage Initiation identifies when failure starts, while Damage Evolution controls how stiffness degrades and damage progresses after initiation until final failure.
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