섬유금속적층판의 모드 I 접합 거동 예측을 위한 Levenberg-Marquardt 기법 기반의 역해석 기법에 관한 수치적 연구

박으뜸 ( Eu-tteum Park ),이영헌 ( Youngheon Lee ),김정 ( Jeong Kim ),강범수 ( Beom-soo Kang ),송우진 ( Woojin Song ) 한국복합재료학회 2018 Composites research Vol.31 No.5

섬유금속적층판은 금속과 섬유 강화 복합소재를 함께 적층한 하이브리드 재료 중 하나다. 섬유금속적층판은 계면의 접착층이 파괴되는 층간분리 현상이 발생할 수 있기 때문에 계면의 접착층에 대한 한계응력과 에너지 해방률을 실험적으로 도출해야만 한다. 하지만, 온도에 따른 에너지 해방률을 실험적으로 도출하는 과정에서 측정 장비의 사용 온도에 대한 제약을 받는다. 따라서, 본 연구에서는 Levenberg-Marquardt 기법을 기반한 역해석기법을 사용하여 접착층에 대한 모드 I 한계응력과 에너지 해방률에 대한 예측 가능성을 확인하는 것이 목표다. 먼저, 한계응력은 접착층의 인장강도와 같다고 가정하였으며, 에너지 해방률은 DCB 시험(double cantilever beamtest)을 수행하여 정의하였다. 또한, 유한요소법 기반 모델을 적용하여 한계응력과 에너지 해방률을 수치해석적으로 예측할 수 있는 지 확인하였다. 그 후, Levenberg-Marquardt 기법을 유한요소법 기반 모델에 적용하여 모드 I 한계응력과 에너지 해방률을 수치해석적으로 예측하였다. 아울러, 본 연구에서 사용한 역해석 기법의 수렴성을 확보하기 위하여 두 가지 경우의 초기 매개변수에 대한 역해석을 추가적으로 수행하였다. 결과적으로, 본 연구에서 사용한 역해석 기법은 모드 I 한계응력과 에너지 해방률을 효과적으로 예측할 수 있음을 보였다. Fiber metal laminate (FML) is a type of hybrid composites which consist of metallic and fiber-reinforced plastic sheets. As the FML has a drawback of the delamination that is a failure of the interfacial adhesive layer, the nominal stresses and the energy release rates should be determined to identify the delamination behavior. However, it is difficult to derive the nominal stresses and the energy release rates since the operating temperature of the equipment is restricted. For this reason, the objective of this paper is to predict the mode-I nominal stress and the mode-I energy release rate of the adhesive layer using the inverse analysis based on the Levenberg-Marquardt method. First, the mode-I nominal stress was assumed as the tensile strength of the adhesive layer, and the mode-I energy release rate was obtained from the double cantilever beam test. Next, the finite element method was applied to predict the mode-I delamination behavior. Finally, the mode-I nominal stress and the mode-I energy release rate were predicted by the inverse analysis. In addition, the convergence of the parameters was validated by trying to input two cases of the initial parameters. Consequently, it is noted that the inverse analysis can predict the mode-I delamination behavior, and the two input parameters were converged to similar values.

정적 광탄성 실험 Hybrid 법에 의한 에너지 해방률에 관한 연구

신동철(Dong-Chul Shin),황재석(Jai-Sug Hawong),남성수(Sung-Su Nam) 대한기계학회 2002 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2002 No.8

In this research, dynamic energy release rate of a propagating interfacial crack in the bimaterial is developed. If the interfacial crack propagating velocity(c) is equal to zero(=0), the definition for the dynamic energy release rate of a propagating interfacial crack in the bimaterial reduce to one's of static energy release rate of interfacial crack in the bimaterial. Using above conception for static energy release rate and static photoelastic experiment hybrid method, we have studied the variations of static energy release rate according to the geometric conditons of interfacial crack in the bimaterial.

다구찌 기법을 적용한 섬유금속적층판 접착층의 에너지 해방률 강화에 대한 연구

길민규 ( Min-gyu Kil ),박으뜸 ( Eu-tteum Park ),송우진 ( Woo-jin Song ),강범수 ( Beom-soo Kang ) 한국복합재료학회 2016 Composites research Vol.29 No.5

섬유금속적층판은 우수한 피로특성, 내부식성, 충격저항 등으로 인하여 항공우주산업에서 널리 사용되고있다. 본 논문에서는 다구찌 기법을 사용하여 섬유금속적층판의 내부 에너지 해방률을 향상시킬 수 있는 공정 조건을 도출하는 절차에 대해 실험적 연구가 수행되었다. 내부 접착력 향상을 위한 제조공정을 도출하기 위해서, 표면처리, 접착필름의 용융점 유지시간 및 초기 압력이 서로 다르다는 조건하에서 제작한 시편들에 대해서 Double cantilever beam과 End-notched flexure 시험을 수행하였다. 시험으로부터 모드 I과 모드 II의 에너지 해방률을 측정한 후, 다구찌 기법의 망대특성에 의한 신호 잡음비를 비교하여 효율적인 제조공정을 도출하였다. The fiber metal laminates have been widely used at aerospace industry due to outstanding fatigue characteristic, corrosion resistance and impact resistance and so forth. The objective of this research is to establish the proper manufacturing variables for enhancing the interfacial energy release rate of fiber metal laminates using Taguchi method. The major variables of the manufacturing process are surface treatment, pre-specified temperature holding time and additional pressure. In order to determine the interfacial adhesive strength, the double cantilever beam and end-notched flexure tests were conducted. Afterward, Mode I and II energy release rates at various conditions were introduced signal-to-noise ratio with respect to each condition. Finally, the most efficient manufacturing variables are recognized using larger-the-better characteristic.

응집영역모델을 이용한 섬유금속적층판 접착층의 모드 1, 2 파괴 거동 물성평가

이병언 ( Byoung Eon Lee ),박으뜸 ( Eu Tteum Park ),고대철 ( Dae Cheol Ko ),강범수 ( Beom Soo Kang ),송우진 ( Woo Jin Song ) 한국복합재료학회 2016 Composites research Vol.29 No.2

섬유금속적층판과 같은 하이브리드 소재는 여러 방향의 하중에 의한 접착층의 파괴로 인해 층간분리가 발생할 수 있다. 모든 하중은 수직 방향의 응력과 면내 두 방향의 전단 응력으로 분해할 수 있으며, 이러한 하중은 접착층의 모드 I, II, III 파괴를 일으킨다. 따라서 하중에 의한 층간분리 현상을 예측하기 위해, 접착층의 모드별 임계 에너지 해방률을 도출하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 접착층의 모드 I 임계 에너지 해방률을 측정하기 위해 double cantilever beam 시험을 수행하였으며, 모드 II 임계 에너지 해방률을 측정하기 위해 end-notched flexure시험을 수행하였다. 또한, 실험으로부터 도출한 임계 에너지 해방률을 ABAQUS의 응집영역모델에 적용하여 유한요소해석을 수행하였으며, 실제 실험 결과와의 비교를 통해 층간분리 현상에 대한 수치해석 기법 적용의 유효성을 입증하였다. An understanding of the failure mechanisms of the adhesive layer is decisive in interpreting the performance of a particular adhesive joint because the delamination is one of the most common failure modes of the laminated composites such as the fiber metal laminates. The interface between different materials, which is the case between the metal and the composite layers in this study, can be loaded through a combination of fracture modes. All loads can be decomposed into peel stresses, perpendicular to the interface, and two in-plane shear stresses, leading to three basic fracture mode I, II and III. To determine the load causing the delamination growth, the energy release rate should be identified in corresponding criterion involving the critical energy release rate (GC) of the material. The critical energy release rate based on these three modes will be GIC, GIIC and GIIIC. In this study, to evaluate the fracture behaviors in the fracture mode I and II of the adhesive layer in fiber metal laminates, the double cantilever beam and the end-notched flexure tests were performed using the reference adhesive joints. Furthermore, it is confirmed that the experimental results of the adhesive fracture toughness can be applied by the comparison with the finite element analysis using cohesive zone model.

이방성 이종재 접합계면 균열의 에너지 해방률에 관한 연구

김진광(Jin-Kwang Kim),조상봉(Sang-Bong Cho) 대한기계학회 2001 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2001 No.8

The energy release rate for an interface crack in anisotropic dissimilar materials was obtained by the eigenfunction expansion method and also was analyzed numerically by the reciprocal work contour integral method. It was shown that the results for orthotropic dissimilar materials are consistent with the other worker's results.

변형률 에너지 해방률에 기반한 Carbon/Epoxy 직교적층판의 모드 I 층간 및 층내 파괴 특성 분석

강민송 ( Min-song Kang ),전민혁 ( Min-hyeok Jeon ),김인걸 ( In-gul Kim ),우경식 ( Kyeong-sik Woo ) 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.1

본 논문에서는 Cross-ply 탄소섬유/에폭시 복합재 적층판의 모드 I 층간분리 특성을 분석하였다. 이를 위하여 Cross-ply 시편에 대한 Double-Cantilever Beam(DCB) 시험을 수행하였다. Cross-ply DCB 시편의 경우 층간 및 층내 파괴를 포함한 복합적인 균열 성장과 기하학적 대변형에 의한 비선형성을 수반하였다. 따라서 변형률 에너지 해방률과 유한요소해석을 기반으로 비선형성을 수반한 DCB 시험에서도 적용되는 모드 I 층간 파괴인성 평가 방법을 제안하고 기존의 선형이론으로 구한 결과와 비교 분석하였다. 본 연구에서 제안한 방법으로 Cross-ply DCB 시편의 모드 I 층간 파괴인성과 모드 I 층내 파괴인성을 분류하였고 모드 I 층내 파괴인성이 더욱 낮음을 확인하였다. This paper describes the characteristics for mode I interlaminar and intralaminar fractures of cross-ply carbon/epoxy composite laminates. We obtained mode I interlaminar fracture toughness and mode I intralaminar fracture toughness based on energy release rate and Finite Element Analysis (FEA). For this purpose, the Double- Cantilever Beam (DCB) test and FEA were performed for cross-ply DCB specimens. Also, the behavior of loaddisplacement curve at the interlaminar and intralaminar crack was analyzed. The results show that mode I intralaminar fracture toughness was lower than mode I interlaminar fracture toughness in the cross-ply DCB specimen.

Transient Response of a Crack in a Functionally Graded Piezoelectric Strip between Two Dissimilar Piezoelectric Strip

Jeong Woo Shin(신정우),Young-Shin Lee(이영신),Sung Joon Kim(김성준) 한국소음진동공학회 2013 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.10

본 논문에서는 적분변환법을 이용하여 면외전단 충격하중이 작용하는 두 개의 서로 다른 압전재료층 사이의 기능경사압전재료 접합층 내부 균열에 대한 과도응답 해석 을 수행한다. 기능경사압전재료의 물성치는 두께 방향을 따라 연속적으로 변하는 것으로 가정한다. 라플라스 변환과 푸리에 변환을 이용하여 문제를 복합적분방정식으로 구성하고, 수치해석을 위해 복합적 분방정식을 제 2 종 프레드홀름 적분방정식으로 표현한다. 전기적 하중, 재료물성 치의 변화율, 각 접합층의 두께가 균열의 과도응답에 미치는 영향을 보기 위해 동에너지 해방률에 대한 수치해석 결과를 제시한다. Transient response of a crack in a functionally graded piezoelectric material (FGPM) interface layer between two dissimilar homogeneous piezoelectric layers under anti-plane shear is analyzed using integral transform approaches. The properties of the FGPM layer vary continuously along the thickness. Laplace and Fourier transforms are used to reduce the problem to two sets of dual integral equations, which are then expressed to the Fredholm integral equations of the second kind. Numerical values on the dynamic energy release rate (DERR) are presented for the FGPM to show the effects on electric loading, gradient of the material properties, and thickness of the layers. Computed results yield following conclusions: (a) the DERR increases with the increase of the gradient of the material properties of the FGPM layer; (b) certain direction and magnitude of the electric impact loading impedes crack extension; (c) increase of the thickness of the FGPM layer and the homogeneous piezoelectric layer which has larger material properties than those of the crack plane are beneficial to increase of the resistance of transient fracture of the FGPM layer.

등방성체 동적 광탄성 하이브리드 법 개발 및 에너지 해방률에 대한 연구

하재기 김천과학대학 2001 김천과학대학 논문집 Vol.27 No.-

In this paper, dynamic photoelastic hybrid method is developed and its validity is certified. And dynamic energy release rate was calculated. The dynamic photoelastlic hybrid method can be used on the obtaining of dynamic stress intensity factors and dynamic stress components. The effect of crack length on the dynamic stress intensity factors is less than those on the static stress intensity factors. When structures are under the dynamic mixed mode load, dynamic stress intensity factor of mode I is almost produced.

평직 복합재료의 섬유 배열각도별 CFRP피로 균열 성장 평가

금진화(Jin-Hwa Geum),최정훈(Jung-Hun Choi),박홍선(Hong-Sun Park),구재민(Jae-Mean Koo),석창성(Chang-Sung Seok) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.6

많은 연구자들이 평직 탄소섬유강화플라스틱에 대해서 연구해왔지만 피로 균열 진전에 관한 연구는 아직도 미지한 상태이다. 그리고 하중과 섬유 배열 각도에 따라 균열 진전 양상이 다름을 알 수 있다. 본 연구에서는 서로 다른 두 개의 섬유 배열각도(0°, 45°)에서 평직 탄소섬유강화플라스틱의 피로 균열 진전에 대해 연구하였다. 평직 탄소섬유강화플라스틱의 피로 균열 진전 테스를 하중비 0.1에 10㎐로 수행하였다. 그 시험 결과로써, 피로 균열 진전 속도(da/dN)와 에너지해방률(ΔG)과의 그래프를 도출하였고, 섬유 배열 각도에 따른 균열 진전 양상을 0°의 경우에는 Mode I를 적용하였고, 45°의 경우에는 Mixed Mode를 적용하였다. Many researchers have studied woven fabric carbon-fiber-reinforced composite (CFRP) materials but the study of fatigue crack propagation in composites has been insufficient. It has known that the crack propagation behavior differs depending on the load and the fiber direction. In this study, the fatigue crack propagation along two different fiber array directions (0°, 45°) in plain woven CFRP composite was investigated. Fatigue crack propagation tests were conducted on the woven CFRP composite under a sinusoidal waveform load with stress ratios of 0.1 at a frequency of 10 ㎐. Once the results of the tests were obtained, fatigue crack propagation rates (da/dN) were plotted against the energy release rate amplitude (ΔG), and it was observed that either mode I crack propagation or mixed mode crack propagation occurs depending on the fiber array direction.

접착제로 접합된 이중외팔보 알루미늄폼의 파괴 거동에 관한 연구

방혜진(Hye-jin Bang),이상교(Sang-kyo Lee),조종두(Chongdu Cho),조재웅(Jae-ung Cho),최해규(Hae-kyu Choi) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.5

본 논문에서는 초기균열을 갖고 있는 폐포형 구조, 발포알루미늄의 축방향 기계적 거동을 실험 및 유한요소해석으로 연구하였다. 재료시험에서 MTS 사의 10kN Landmarks 를 사용하여, 모드 I 형상의 15mm/min 의 하중속도로 변위를 제어하였다. 또한 유한요소해석 범용프로그램인 ABAQUS 6.10 으로 3 차원 형상의 실험과 동일한 조건으로 모델을 구성하여 해석을 수행하였다. 실험의 축방향 변위-하중 그래프와 시간에 대한 균열 길이를 기반으로 에너지 해방률을 계산하였으며, 이 값을 해석에서 파손 에너지조건으로 사용하였다. 결과적으로 변위 값에 따른 하중 거동을 확인할 수 있었으며, 발포알루미늄이 접착제에 비해 상대적으로 큰 밀도와 탄성계수를 가지므로 발포알루미늄의 변형이 상대적으로 작다는 것을 확인할 수 있었다. In this study, closed-cell aluminum foam with an initial crack was investigated to produce an axial load-time graph. Using the 10-kN Landmarks of MTS Corporation, a 15-mm/min velocity of mode I shape was applied to the aluminum foam specimen using the displacement control method. ABAQUS 6.10 simulation was used to model and analyze the identical model in three dimensions under conditions identical to those of the experiment. The energy release rate was calculated on the basis of an axial load-displacement graph obtained from the experiment and a transient image of the crack length, and then an FE model was analyzed on the basis of this fracture energy condition. The relation between load and displacement was discussed; it was found that the aluminum foam deformed somewhat less than the adhesive layer owing to the difference in elastic modulus.