Prediction of Residual Stress and Deformation during Thermoforming Process for Thermoplastic Composite Structures = 열가소성 복합재 구조물의 열성형 중 발생하는 잔류응력과 변형 예측

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis predicts process-induced deformation (PID) occurring during the thermoforming process of carbon fiber reinforced thermoplastic (CFRTP) composite based on finite element analysis (FEA). In addition, the effects of key process parameters to spring-in angle are quantitatively evaluated through statistical analysis. Sequential thermoforming simulations consisting of forming, holding, and demolding, are performed in the commercial FEA software, ABAQUS, with user-defined material subroutine (UMAT). The statistical significance of process parameters such as initial mold temperature and holding time is verified through two-way analysis of variance (two-way ANOVA) and Dunnett’s multiple comparison for post hoc test using RStudio.
The primary findings were that 1) the CFRTP composite deformed into a V- shape during forming, 2) residual stress was accumulated due to mechanical constraints in the holding stage, and 3) PID occurred upon demolding, resulting in a spring-in angle of 6.6°. The spring-in angle increased as the initial mold temperature increased and the holding time decreased, and only the initial mold temperature was found to have a statistically significant effect.
This proposed methodology integrates multiple thermoforming simulations within integrated thermo-mechanical simulation framework, significantly improving computational efficiency and enabling rapid and precise prediction of effective material properties. Also, this study can be utilized to optimize process conditions through simulation by accurately predicting the process- induced deformation of CFRTP composite and quantitatively analyzing the effects of key process parameters.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 유한요소해석을 기반으로 탄소 섬유 강화 열가소성 플라스틱(carbon reinforced thermoplastic, CFRTP) 복합재의 열성형 공정 중 발생하는 공정유도 변형(process-induced deformation, PID)을 예측한다. 또한 통계 분석을 통해 핵심 공정 변수가 스프링인(spring-in) 각도에 미치는 영향을 정량적으로 평가한다. 성형, 유지, 탈형으로 구성된 전 주기적 열성형 공정 해석은 상용 FEA 소프트웨어인 ABAQUS와 사용자 재료 정의 부 프로그램(UMAT)을 통해 수행된다. 이후 RStudio (R)를 활용한 이원분산분석(two-way analysis of variance, ANOVA)과 Dunnett 다중 비교법 기반 사후 검정을 통해 금형 초기 온도와 유지 시간의 통계적 유의성을 검증한다.
주요 결과로는, 1) 성형 단계에서 CFRTP가 V형으로 성형되었고, 2) 유지 단계에서 구속으로 인해 잔류응력이 축적되었으며, 3) 탈형 시 PID가 발생하여 6.6°의 스프링인이 발생하였다. 스프링인 각도는 금형 초기 온도가 높고 유지 시간이 짧을수록 증가하였으며, 금형 초기 온도만이 통계적으로 유의한 것으로 나타났다.
본 논문에서 제안한 열성형 공정 해석 기법은 통합된 열-구조 시뮬레이션 프레임워크 내에서 다단계의 열성형 해석을 통합하여 계산 효율을 크게 향상시키고, 복합재의 유효 물성을 신속하고 정밀하게 예측할 수 있다. 또한 본 연구는 CFRTP의 공정유도 변형을 정확하게 예측하고 핵심 공정 변수의 영향을 정량적으로 분석함으로써, 해석 기반의 공정 조건 최적화에 기여할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• INTRODUCTION 12
• 1.1 Research Background 12
• 1.2 Research Objective and Scope 18
• THEORETICAL BACKGROUND 20
• 2.1 Thermoplastic Polymer Property 20
• 2.1.1 Degree of relative crystallization (DoC) 20
• 2.1.2 Elastic modulus 24
• 2.2 Effective Material Property of Unidirectional (UD) Composite 27
• 2.3 Statistical Analysis 32
• 2.3.1 Analysis of variance (ANOVA) 32
• 2.3.2 Post-hoc test 35
• FINITE ELEMENT-BASED THERMOFORMING SIMULATION 37
• 3.1 Computational Modeling Framework 39
• 3.1.1 Material property 39
• 3.1.2 FE model and boundary condition 42
• 3.2 Results 48
• 3.2.1 Forming stage 48
• 3.2.2 Holding stage 52
• 3.2.3 Demolding stage 58
• PARAMETRIC STUDY OF THERMOFORMING PROCESS 61
• 4.1 Experimental Design 63
• 4.1.1 FE modeling 63
• 4.1.2 Factor and level 65
• 4.2 FE Simulation Results 66
• 4.2.1 Forming stage 66
• 4.2.2 Holding stage 67
• 4.2.3 Demolding stage 71
• 4.3 Statistical Analysis 74
• 4.3.1 Two-way ANOVA 74
• 4.3.2 Dunnett’s test 76
• CONCLUSIONS 78
• BIBLIOGRAPHY 81