점진적 강성 저하 모델을 이용한 복합재 이중 볼트 체결부의 점진적 파손 해석 연구

김평화,김성민,도성철,윤동현,박정선 항공우주시스템공학회 2019 항공우주시스템공학회지 Vol.13 No.6

In this paper, progressive failure analysis is performed on composite joints widely used in various industries such as the aerospace industry. The analysis was conducted on single bolted joints to confirm its reliability and in succession on double-bolted composite joints as well to study the characteristics of progressive failure. Hashin failure criteria and EGDM (energy based gradual degradation model) were used for the analysis. Failure variables are defined by four failure modes, respectively. According to the variables, stiffness degradation has been calculated. As a result of comparing the test and analysis results of single-bolted joints, the error was below 5% and it showed that the analytical results are rather credible. Also, the parametric analysis consequences were obtained conducting the process-progressive failure analysis on the double-bolted composite joints considering edge-distance ratio (e/d ratio) and bolt spacing. 본 논문에서는 항공우주분야 등 여러 분야에서 사용되는 복합재 볼트 체결부에 대해 점진적 파손 해석을 수행하였다. 단일 볼트 체결 시편에 대한 해석을 통해 해석 방법에 대해 검증하고 이를 이용해 이중 볼트 체결 시편의 점진적 파손에 관해 연구하였다. 점진적 파손 해석을 위해 Hashin 파손 판정식과 에너지 기반 점진적 파손모델을 사용하였다. 복합재료의 4가지 파손모드에 대해 손상변수를 정의했다. 이에 따른 물성저하를 계산하였다. 단일 볼트로 체결된 시편에 대해 시험 및 점진적 파손해석을 수행하여 시험 및 해석결과를 비교한 결과 약 5% 이하의 오차로 해석의 신뢰성을 확인하였다. 이중 볼트 체결 시편에 대해 점진적 파손해석을 이용해 볼트 원공으로부터 모서리까지의 거리와 볼트 사이의 간격을 고려하여 이중 볼트 체결부에 대한 매개변수 분석을 수행하였다.

점진적 파손해석을 이용한 탄소섬유강화 복합재료 볼트 조인트의 파손거동 예측

윤동현 ( Donghyun Yoon ),김상덕 ( Sangdeok Kim ),김재훈 ( Jaehoon Kim ),도영대 ( Youngdae Doh ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.2

복합재료를 활용하여 설계되는 구조물은 각 부품들의 조립, 체결부를 갖게 된다. 이러한 연결 또는 조인트는 구조에서 잠재적으로 취약 부분이 될 수 있다. 복합재료 볼트 조인트의 파손모드는 구조 안전성을 위해 베어링 파손모드로 설계된다. 베어링 파손모드로 파괴되는 복합재료 볼트 조인트의 하중-변위 관계는 초기 파손 발생 후 비선형 거동을 보이며, 점진적인 파손을 보인다. 이러한 비선형적이고 점진적인 복합재료 볼트 조인트의 파손거동을 정확히 예측하기 위해 본 연구에서는 기존의 파손해석 모델에서 전단 손상변수 계산 과정에 수정을 수행하였다. 수정된 파손해석 모델을 이용하여 복합재료 볼트 조인트의 베어링 응력-베어링 변형률 결과를 예측하였으며, 기존 수정되지 않은 해석모델과 비교를 통해 수정된 모델의 유효성을 입증하였다. Composite structures have components and joints. Theses connections or joints can be potentially weak points in the structure. The failure mode of the composite bolted joint is designed as a bearing failure mode for structural safety. The load-displacement relation exhibits bearing failure mode shows a nonlinear behavior after the initial failure and progressive failure behavior. In order to accurately predict the failure behavior of composite bolted joints, this study modified the shear damage variable calculation process in the existing progressive failure analysis model. The results of the bearing stress-bearing strain of the composite bolted joint were predicted using the modified progressive failure analysis model, and the modified model was verified through comparison with the previous progressive analysis model.

일방향 탄소섬유 복합재 시편의 충격손상 및 충격 후 압축강도 해석

하재석,김민성,주영식,조창민 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.4

본 연구에서는 일방향 탄소섬유 복합재 시편에 대한 충격손상 해석 및 충격 후 압축강도 해석을 수행하였다 일반적으로 복합재의 파손거동은 기지균열, 섬유파손, 층간분리 등과 같은 손상이 단층에서 적층판 수준까지 복합적으로 나타나기 때문에 섬유/기지/단층/적층판의 손상과 파손을 점진적으로 예측할 수 있는 점진적 파손해석(Progressive Failure Analysis, PFA)을 사용하였다. 충격해석으로부터 적층판의 접촉하중, 충격에너지, 변위, 충격손상에 대한 해석결과를 나타내었다. 충격해석 결과를 이용하여 압축해석을 수행하였으며 그 결과로부터 충격 후 압축강도를 산출하였다. 모든 해석결과는 동일한 조건의 시험결과와 비교하여 해석결과의 타당성을 확인하였다. Impact damage and compression after impact analyses were conducted for the uni-directional carbon fiber composite specimens. Progressive failure analysis(PFA) method which can simulate progressively the damage and failure of fiber/matrix/ply/laminate was used because the composite failure behavior includes multiple matrix cracking, fiber failure, delamination, etc. from ply level to laminate level. Impact analysis results showed the contact force, impact energy, deformation, impact damage of the composite specimens. Compression analyses were conducted with impact analysis results, and the compression after impact strengths were calculated from the compression analysis results. All analysis results were compared to test results and the validity of analysis results was verified.

Crack Band Model 기반 손상변수를 이용한 탄소섬유강화 복합재료 적층판의 점진적 파손 거동 예측 및 검증

윤동현,김상덕,김재훈,도영대 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.5

In this paper, a progressive failure analysis method was developed using the Hashin failure criterion and crack band model. Using the failure criterion, the failure initiation was evaluated. If the failure initiation is occurred, the damage variables at each failure modes (fiber tension & compression, matrix tension & compression) was calculated according to linear softening degradation behavior and the variables are used to derive the damaged stiffness matrix. The damaged stiffness matrix is reflected to damaged material and the progressive failure analysis is continued until the damage variables to be 1 that complete failure of material. A series of processes were performed using FE commercial code ABAQUS with user defined material subroutine (UMAT). To evaluate the proposed progressive failure model, the experimental results of open hole composite laminate tests was compared with numerical result. Using digital image correlation system, the strain behavior also was compared. The proposed numerical results were coincided well with the experimental results. 본 논문에서는 Hashin 파손 기준식과 crack band 모델이 접목된 손상변수를 이용하여 점진적파손해석 방법이 개발되었다. 파손기준식을 이용하여 파손의 개시 유무가 판단된다. 파손이 개시된 경우에는 각 파손모드(섬유 인장/압축, 기지 인장/압축)에서 손상변수가 선형 열화 거동에 따라 계산되고, 손상강성행렬을 계산하는데 사용된다. 손상강성행렬은 손상된 재료에 반영되고, 계산된 손상강성행렬을 이용하여 재료의 완전한 파괴를 의미하는 손상변수가 1인 시점이 되기까지 점진적 파손해석이 계속해서 반복적으로 수행된다. 일련의 과정들은 상용해석프로그램인 ABAQUS에 사용자 정의 부프로그램을 이용하여 수행되었다. 제안된 점진적파손해석 도구의 검증을 위하여, 원공을 가진 복합재료 적층판의 시험 결과와 비교를 수행하였으며, 시험 중 디지털 이미지 상관법을 이용하여 획득한 변형률 거동과 해석을 통해 획득한 변형률 거동을 비교하였다. 제안된 해석결과는 시험 결과와비교하여 유효한 일치를 보였다.

복합재 볼트 체결부의 유한요소법 기반 점진적 파손해석 연구

김평화(Pyunghwa Kim),김명준(Myungjun Kim),김형근(Hyounggun Kim),박정선(Jungsun Park) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

본 논문에서는 발사체의 연소관 등에 사용되는 원통형 복합재의 볼트 체결부에 대한 점진적 파손해석을 수행하였다. 복합재 파손 판정식에는 Hashin의 파손 판정식을 사용하였으며, 이를 ABAQUS subroutine(USDFLD)에 적용하였다. 점진적 파손해석을 위해 Hashin의 파손판정식에 따라 복합재 파손모드를 섬유 인장 파손 모드(Fiber tensile failure mode), 섬유 압축 파손 모드(Fiber compressive failure mode), 기지 인장 파손 모드(Matrix tensile failure mode), 기지 압축 파손 모드(Matrix compressive failure mode)를 고려하였다. 유한요소해석은 3차원 모델을 이용하여 수행하였으며, 이를 시편시험 결과와 비교하였다. In this paper, the progressive failure analysis of a bolted composite joint is performed. The joint is used in cylindrical composite such as combustion tubes of the launching vehicle. Hashin’s failure criterion is used for the progressive failure analysis and applied to the ABAQUS subroutine (USDFLD). For the progressive failure analysis, the failure modes of the composite is considered as fiber tensile failure mode, fiber compressive failure mode, matrix tensile failure mode, and matrix compressive failure mode according to Hashin’s criterion. The finite element analysis is performed using a three-dimensional model and compared with test results.

필라멘트 와인딩 복합재 압력용기의 접착 체결부에 대한 점진적 파손 해석

김준환(Junhwan Kim),신광복(Kwangbok Shin),황태경(Taekyung Hwang) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.11

본 논문에서는 CZM(Cohesive Zone Model)을 이용하여 돔 분리형 복합재 압력용기 접착 체결부의 점진적 파손 해석에 대한 연구를 수행하였다. 접착 요소(cohesive element)의 물성을 도출하기 위해 모드 I, II 그리고 혼합모드에 대한 층간파괴인성들을 시험을 통해 도출하였다. 이때, 모든 시험편은 복합재 압력용기와 동일한 필라멘트 와인딩 제작공정을 통해 제작되었다. 이중 겹치기 이음(double-lap joint) 시험은 접착제의 전단강도와 CZM을 이용한 점진적 파손해석의 신뢰도 검증을 위해 수행하였다. 그 결과, 접착제의 전단강도는 시험으로부터 32MPa을 얻었고, 시험과 해석의 오차는 약 4.4%의 오차가 발생하여 CZM이 접착 체결부의 점진적 파손 거동을 비교적 잘 모사함을 확인하였다. 최종적으로 신뢰성이 검증된 CZM을 복합재 압력용기 접착 체결부에 적용하여 운용하중조건에서의 점진적 파손해석을 수행한 결과, 전체 200mm를 갖는 접착 체결부 길이의 약 5.8%만이 점진적 파손이 발생하는 것으로 나타나 복합재 압력용기의 구조 안전성에는 영향을 주지 않음을 확인하였다. This study performed the progressive failure analysis of adhesive joints of a composite pressure vessel with a separated dome by using a cohesive zone model. In order to determine the input parameters of a cohesive element for numerical analysis, the interlaminar fracture toughness values in modes I and II and in the mixed mode for the adhesive joints of the composite pressure vessel were obtained by a material test. All specimens were manufactured by the filament winding method. A mechanical test was performed on adhesively bonded double-lap joints to determine the shear strength of the adhesive joints and verify the reliability of the cohesive zone model for progressive failure analysis. The test results showed that the shear strength of the adhesive joints was 32MPa; the experiment and analysis results had an error of about 4.4%, indicating their relatively good agreement. The progressive failure analysis of a composite pressure vessel with an adhesively bonded dome performed using the cohesive zone model showed that only 5.8% of the total adhesive length was debonded and this debonded length did not affect the structural integrity of the vessel.

Puck의 파손기준에 기반한 풍력발전기용 복합재 블레이드의 점진적 파손 평가

김학근,장윤정,김재훈,강기원 한국신·재생에너지학회 2019 신재생에너지 Vol.15 No.4

Composites combined physically with a reinforcing material and base material are very different from existing metal materials and show complex damage and damage patterns. To explain this, the Tsai-Hill and Tsai-Wu failure condition equations were introduced using the correlation between the vertical and shear stress and strength, and Puck’s theory was introduced to explain the damage and failure mode under a combined load. In this paper, progressive failure analysis was performed to examine the damage mode of the composite blade for a wind turbine designed and manufactured as a fiber-reinforced composite material and the change in the failure mode due to the increase in load using the theory of Puck’s. For this purpose, 30 kW composite blades were stacked using newly developed low-cost and high-strength pitch-based carbon fibers, and the load was acquired using a simple load calculation method according to the IEC61400-2 standard. A structural safety evaluation was performed through structural analysis under the calculated load. In addition, the damage mode was evaluated using the damage standard theory of Puck’s, and progressive damage analysis was performed in the initial damage progressing gradually with a 10% and 20% increase in the load condition.

복합재 로어암의 정적 및 피로파괴 해석

배홍수 ( Hongsu Bae ),비룩네가 ( Biruk F Nega ),우경식 ( Kyeongsik Woo ),이재석 ( Jae Seok Lee ) 충북대학교 건설기술연구소 2019 建設技術論文集 Vol.38 No.1

본 연구에서는 복합재와 금속재 코어로 구성된 로어암 구조물에서 발생하는 구조적 거동과 및 피로 거동을 전산해석을 통하여 예측하였다. 로어암 구조물의 기하학적 형상을 정의한 후 4-절점 고체 요소를 이용하여 모델링하였으며, 시험평가 기준에 의하여 로어암 구조물에 정적 하중과 피로 하중을 가하였다. 전산해석은 상용 유한요소해석프로그램 ABAQUS와 점진적 파손해석을 수행할 수 있는 Helius-PFA를 연계하여 수행하였다. 로어암 구조물의 외측과 내측에 정적하중을 가하여 전산해석을 수행하고 해석 결과를 시험 결과와 비교하여 해석의 타당성을 검증하였으며, 또한 로어암 구조물에서 발생하는 구조적인 거동을 전산해석을 통하여 적절하게 예측할 수 있음을 보였다. 동일한 해석 모델을 사용하여 반복하중이 가해지는 로어암 구조물에서 발생하는 피로 거동을 예측하였으며, 피로 수명 내에서 발생하는 응력의 분포, 파손 상태 및 피로 수명을 예측하였다. In this study, the static and fatigue failure behavior of composite lower arm structure was studied numerically. The lower arm configuration was generated according to the experimental specimen which was then converted to finite element model using 4-node solid elements. The analyses were performed using Helius-PFA, a progressive composite failure analysis module running on Abaqus. First, two static load cases were analyzed and the results were compared to those by tests for model verification. Then the numerical results were examined in terms of static failure behavior. Finally, the fatigue behavior was numerically studied under cyclic load condition and the progressive variation of stress distribution and the failure status were examined from which the fatigue life of the composite lower arm structure was predicted.

복합재료 적층판 기계적 체결부 파손시험 및 점진적 파손해석에 대한 연구

권정식(Jeong-Sik Kwon),김진성(Jin-Sung Kim),양용만(Yong-Man Yang),이수용(Soo-Yong Lee) 한국항공우주학회 2017 韓國航空宇宙學會誌 Vol.45 No.1

복합재료 적층판 기계적 체결부(ASTM D5961 Proc. A, B)에 대하여 치구 설계에서 시험 결과의 해석까지 전체 과정을 제시하였다. 복합재료 적층판 기계적 체결부를 유한요소법을 사용하여 분석하였으며 시험 결과와 비교하였다. 시험편의 파손 거동을 분석하기 위해 점진적 파손해석 방법을 유한요소법에 적용하였다. 시험 파손 하중을 예측하기 위해 3가지 파손이론(최대 응력, 최대 변형률, Tsai-Wu)을 FEM에 적용하였다. 기계적 체결부의 일반적인 변수들을 검토하였으며 주요 변수에 대하여 베어링 강도 차이를 비교하였다. In this paper, the total procedure for composite laminate mechanical joint (ASTM D5961 Proc. A, B) from fixture design to test analysis was showed. Composite laminate mechanical joints were analyzed using the FEM(Finite Element Method) and compared to test results. A progressive failure analysis was applied to FEM to analyze the failure behavior of test specimens. Three failure theories - maximum stress, maximum strain, and Tsai-Wu were applied to FEM to predict test failure load. General parameters for composite laminate joints were reviewed and the differences of bearing strength were compared with major parameters.

일방향 탄소섬유강화 플라스틱 복합재 적층구조의 충격 후 압축강도 시험 및 유한요소해석

하재석 ( Jae-seok Ha ) 한국복합재료학회 2016 Composites research Vol.29 No.6

본 연구에서는 구조재로 널리 사용되는 일방향 탄소섬유강화 플라스틱 복합재 적층구조의 충격 후 압축강도에 대한 시험 및 유한요소해석을 수행하였다. 연구에서 사용된 복합재 적층판은 적층방법에 따라 2종류로 구분되며, 각 적층판에는 4가지의 충격에너지를 적용하였다. 충격 및 압축강도 시험은 미국재료시험협회 규격을 준수하여 수행하였으며 비파괴검사 방법인 C-Scan을 통해 충격손상을 분석하고 압축시험을 통해 충격 후 압축강도를 산출하였다. 충격 및 압축강도 해석은 복합재 섬유/기지/단층/적층판 수준의 손상과 파손을 점진적으로 예측할 수 있는 점진적 파손해석을 사용하였다. 접촉하중, 처짐, 충격손상, 압축강도 등에 대한 시험 및 해석결과의 비교로부터 해석결과의 타당성을 확인하였다. In this study, tests and finite element analyses were performed regarding compression after impact strength for laminated composite structures of unidirectional carbon fiber reinforced plastic widely used in structural materials. Two lay-up sequences of composite laminates were selected as test specimens and four impact energy conditions were applied respectively. Impact and compressive strength tests were conducted in accordance with ASTM standards. Impact damages in test specimens were analyzed by using non-destructive inspection method of C-Scan, and compression after impact strengths were calculated with compressive test results. Progressive failure analysis method that can progressively simulate damages and fractures of fiber/matrix/lamina/laminate level was used for impact and compressive strength analyses. All analysis results including contact force, deflection, impact damages, compressive strengths, etc. were compared to test results, and the validity of analysis method was verified.