Abaqus 서브루틴을 사용한 피로 단섬유 복합재 시뮬레이션

단섬유 강화 PEEK 복합재의 점진적인 반복 손상 진화는 적용된 응력 수준과 다양한 보강 유형의 존재 여부에 따라 상당히 다른 패턴을 나타냈습니다. 실험적으로 관찰된 다양한 피로 손상 동역학 및 점진적 손상 축적 단계를 재현하기 위해, 최종적으로 반복 손상 모델을 개발하여 유한요소 코드에 구현했습니다. 이를 통해 각 시험 재료의 다양한 응력 수준에서 수치 예측과 실험 데이터가 만족스럽게 일치했습니다. 피로 단섬유 복합재는 흔치 않은 주제이며, 좋은 교육 자료를 찾는 것은 어려울 것입니다.

이 교육 패키지는 다음을 기반으로 합니다. “피크 단섬유 강화 복합재의 피로 거동 및 순환 손상”  해당 문서. 서브루틴은 언급된 문서를 기반으로 구현되었습니다. 하지만 본 문서에서는 USDFLD 서브루틴을 사용했지만, 저희는 재료 강도 및 물성 감소가 매끄럽기 때문에 USDFLD보다 더 정확한 UMAT 서브루틴을 사용합니다. 동적 문제를 다루고 명시적 솔버를 사용해야 하는 경우, 이 패키지의 VUMAT 서브루틴 버전을 주문할 수 있습니다. 피로 단섬유 복합재 또는 피로 절단 복합재에 대한 자세한 설명이 있으며, 이 유용한 패키지를 시청하여 모델링을 향상시킬 수 있습니다.

수업 1: 피로 및 섬유 강화 복합재

이번 수업에서는 피로와 피로의 유형, 그리고 단섬유 복합재료에 대해 설명합니다.

피로감은 어떤가요?

기계 공학에서 피로는 재료가 반복적이거나 변동하는 응력을 받을 때 발생하는 현상입니다. 이러한 응력은 재료의 최대 강도 또는 항복 한계보다 낮을 수도 있습니다. 피로 파괴는 재료 내부 균열의 시작 및 확산을 특징으로 하며, 결국 구조적 파괴로 이어집니다. 피로는 자동차, 항공우주, 구조 공학 등 다양한 분야에서 기계적 파괴의 상당 부분을 차지하기 때문에 특히 중요합니다. 다른 파괴 유형과 달리 피로 파괴는 사전 경고나 눈에 띄는 징후 없이 발생하는 경우가 많아 예측 및 예방이 어렵습니다.

피로 과정은 여러 단계로 진행됩니다. 미세 균열이 발생하는 것으로 시작하는데, 이는 일반적으로 반복적인 응력 사이클에 의해 발생합니다. 이 균열은 이후 응력 사이클을 거치면서 확산되고 성장하여 임계 크기에 도달하면 갑작스러운 파손으로 이어집니다.

피로 수명에 영향을 미치는 요인으로는 작용 응력 범위, 응력 집중, 재료 특성, 표면 조건, 온도, 그리고 환경 요인 등이 있습니다. 엔지니어들은 재료 선정 개선, 설계 최적화, 응력 완화 기능 도입, 그리고 잠재적인 피로 관련 문제를 감지하고 해결하기 위한 정기적인 검사 및 유지보수 등 피로를 완화하기 위해 다양한 기법을 활용합니다. 균열 발생 및 성장에 영향을 미치는 요인들 중에서도 "평균 응력"은 특히 중요합니다. 이 매개변수를 연구하려면 먼저 피로를 유발하는 하중 유형을 파악하는 것이 좋습니다.

• 첫 번째 하중의 경우는 인장과 압축 하중으로, 인장 하중과 압축 하중의 크기가 같습니다.
• 두 번째 경우도 인장 응력과 압축 응력이 결합된 형태입니다. 하지만 이 경우 응력의 크기가 같지 않아 인장 응력이 압축 응력보다 큽니다.
• …

피로 해석에서 중요한 또 다른 요소는 시편에 가해지는 사이클 수입니다. 일반적으로 하중은 사이클 수에 따라 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 범주는 고사이클 피로입니다. 고사이클 피로는 탄성 영역에서 교번 응력으로 인해 발생하는 피로의 한 유형입니다. 피로 균열은 수십만 또는 수백만 사이클과 같은 장기간 사용 후에 발생합니다.

두 번째 범주는 저주기 피로입니다. 저주기 피로는 하중 사이클이 재료에 소성 변형을 일으킬 만큼 클 때 발생합니다. 파괴 사이클 수는 일반적으로 10,000회 미만이며, 파괴 모드는 일반적으로 연성 파괴입니다.

마지막으로 중요한 문제는 피로 수명입니다. 피로 수명은 시험체가 파손되기 전에 겪는 응력 사이클 횟수를 나타냅니다. 반복적인 하중과 작동 조건에 노출되는 구조물, 부품 및 기계의 신뢰성, 안전성 및 수명을 보장하기 위해서는 엔지니어링 설계 및 유지보수 과정에서 피로를 이해하고 관리하는 것이 매우 중요합니다.

섬유 강화 복합재란 무엇인가요?

섬유 강화 복합재는 섬유로 강화된 매트릭스(일반적으로 폴리머)로 구성된 복합 재료입니다. 탄소, 유리, 아라미드 등의 재료로 만들어질 수 있는 이러한 섬유는 복합재의 강도, 강성, 내구성 향상 등 향상된 기계적 특성을 제공합니다. 섬유는 일반적으로 연속적이며 특정 방향으로 배향되어 특정 용도에서 재료의 성능을 최적화합니다. 섬유 강화 복합재는 높은 강도 대 중량비와 우수한 내식성 및 내피로성으로 인해 항공우주, 자동차, 건설 등의 산업에서 널리 사용됩니다.

반면, 단섬유(단섬유) 복합재는 강화 섬유의 길이가 비교적 짧은 섬유 강화 복합재의 한 유형입니다. 기존 섬유 강화 복합재에서 사용되는 연속 섬유와 달리, 단섬유는 일반적으로 수 밀리미터에서 수 센티미터 길이입니다. 이러한 섬유는 복합재 제조 공정 중에 매트릭스 내에 무작위 또는 준무작위로 분산됩니다. 단섬유 복합재는 비강화 매트릭스 재료에 비해 향상된 기계적 특성을 제공하지만, 연속 섬유 복합재에 비해서는 그 정도가 약합니다. 자동차 부품, 소비재, 포장재와 같이 비용 효율성과 적당한 성능이 요구되는 분야에 사용됩니다. 단섬유 복합재의 무작위 섬유 분포는 등방성 강도 특성을 제공하여 다방향 하중이 작용하는 분야에 적합합니다.

수업 2: 단섬유 복합재 피로 손상 모델이란 무엇인가?

이번 수업에서는 Nouri와 Avanzini 모델을 포함한 단섬유 복합재의 파괴 모델을 살펴보겠습니다.

Nouri 피로 손상 모델이란 무엇인가요?

이 모델은 직교 이방성 거동을 갖는 복합재에 적용 가능합니다. Nouri의 모델에서 사이클당 손상 증가율은 아래 방정식을 통해 계산됩니다.

아반지니 피로 손상 모델이란 무엇인가요?

이는 Nouri의 모델에 약간의 수정을 가한 것입니다. 이러한 변경을 통해 Nouri가 제안한 모델은 손상 변수가 하나인 새로운 모델로 변형되었습니다. 이러한 변경은 계산량을 줄이는 데 도움이 될 것입니다. 이 모델은 매트릭스 내 섬유 분포가 균질하고 무작위적이라고 가정했으며, 재료 거동이 등방적이라고 가정했습니다.

아래 방정식은 Avanzini 모델의 손상 변수를 보여줍니다.

이러한 방정식과 매개변수에 대한 자세한 내용은 패키지에서 확인할 수 있습니다.

수업 3: 복합재료의 거동을 모델링하는 방법은?

이 수업에서는 UMAT 서브루틴에 대한 간략한 설명과 UMAT 서브루틴 흐름도를 살펴봅니다. 다음으로, UMAT 서브루틴을 한 줄씩 분석합니다.

참고문헌, “피크 단섬유 강화 복합재의 피로 거동 및 순환 손상”, USDFLD 서브루틴을 구현했지만, 우리는 재료 강도와 특성 감소가 원활하기 때문에 USDFLD보다 더 정확한 UMAT 서브루틴을 사용합니다.

워크숍: 표준 인장 시험편에 대한 피로 모델링

이 워크숍에서는 표준 인장 시험편을 모델링합니다. 시편의 한쪽 면은 완전히 고정하고, 반대쪽 면에는 60MPa의 단축 하중을 가합니다. 재료는 UMAT 서브루틴을 사용하여 모델링합니다. 튜토리얼 영상에서 더 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.

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