파손분석 기말 프로젝트 복합재의 피로파손 연구

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1 파손분석 기말 프로젝트 복합재의 피로파손 연구
1조 유진길 정진영 이겨레 School of Mechanical Engineering

2 목 차 ✔ 서론 ✔ Fatigue 이론 설명 ✔ 복합재의 Fatigue 사례 분석 ✔ 고찰

3 서 론 What is Fatigue? A Degradation of Mechanical Properties Leading to Failure of a Material or a Component under Cyclic Loading e.g., Automobiles, Airplanes etc. (Moving Part) Fatigue examples Initiation Fatigue crack propagation Catastrophic rupture

4 서 론 Fatigue Load Fatigue Parameter Cyclic stress range :
Cyclic stress amplitude : Mean stress : Stress ratio : Fatigue Load Type Fully reversed load Repeated load Fluctuating load Service equipment load

5 서 론 Mechanism of Fatigue Failure - Slip Crack Nucleation
Crack Propagation Fracture 노치 발생 →응력 집중/국부적 항복 →전단에 의한 Slip Band →Slip Band의 유착 →미소균열 생성 날카로운 균열서 응력집중 →소성영역 발달 →균열의 무뎌짐 →응력 집중 감소/균열성장 →균열 닫힘/항복 멈춤 →날카로운 균열의 발달 →주기적 반복 하중의 반복 →균열 크기 증가 →응력확대계수 증가 →파괴인성 도달 →취성 파괴

6 Fatigue 이론 설명 Fatigue-Failure Models Stress-Life Strain-Life LEFM
해석이 용이 사용환경 적용 가능 경험에 의존 시편에서의 값과 맞지 않음 고 사이클 피로 주기적 하중 작용 시 적용 소성 변형률, 잔류응력 복잡한 형상 적용가능 복잡한 수준의 해석 전파 수명 예측 불가 균열 발생단계 열 피로의 해석에 적합 피로균열 전파를 직접 다룸 균열부품의 잔존 수명 예측 다양한 응력 확대계수에 따른 결과 해석이 어려움 균열전파 단계 저 사이클 피로 초기 결함 존재시에 적합

7 Fatigue 이론 설명 Fatigue-Failure Models Stress-Life Approach
수정피로강도, Se의 결정 C : 수정계수, k : 재료상수 Strain-Life Approach Strain-Life relationship Manson-Coffin

8 Fatigue 이론 설명 LEFM(Linear Elastic Fracture Mechanics) Approach 가정
탄성거동을 만족(Hooke’s Law) - 균열선단주변에 소성역이 존재하나, 전반적인 치수에 비해 작음 - 소성역의 크기(in Plane Stress) 단순 소성역 크기 반복 소성역 크기

9 Fatigue 이론 설명 LEFM(Linear Elastic Fracture Mechanics) Approach
피로균열 성장곡선 Crack Nucleation(Ⅰ) Crack Propagation(Ⅱ) Fracture(Ⅲ) Fatigue Crack Nucleation - 낮은 응력영역으로 하한응력확대계수 의 영향을 받음 - 가 더 낮을시 피로균열성장 단계로 진입 불가 - 임계균열크기 : 성장 단계로 진입할 최소 균열 크기

10 Fatigue 이론 설명 LEFM(Linear Elastic Fracture Mechanics) Approach
Fatigue Crack Propagation Paris-Erdogan relationship : 파단수명 Nf의 예측 응력확대계수 응력확대계수폭 Fatigue Fracture영역 천이 : 항복응력, 응력확대계수, 응력비 보정계수 균열길이 응력

11 Fatigue 이론 설명 LEFM(Linear Elastic Fracture Mechanics) Approach
Fatigue Fracture : 급속한 불안균열의 성장 균열 진전속도(Forman’s Equation) 균열의 치수에 비해 큰 소성역의 생성 및 균열 진전속도에 따른 소성효과 증가. 탄소성 파괴역학으로 해석 피로균열성장에 영향을 주는 요소 응력비 하중주파수 온도 영향 반복하중의 파형

12 Fatigue 이론 설명 The Palmgren-Miner Rule 일반적인 하중조건에 적용 j번째 응력의 작용 횟수
j번째 응력이 작용할 시 파손되는 횟수(by Paris-Erdogan)

13 복합재의 Fatigue 사례 분석 A Fatigue Damage model for Composite Material
D(n) : Normalized Damage, 1일 때 파손 D(n)은 다음과 같은 미분방정식을 만족한다고 가정 a,b : 미정계수, c : 적분상수 일정하중 조건에서만 만족한다는 단점

14 복합재의 Fatigue 사례 분석 A Fatigue Damage model for Composite Material
다양한 하중조건을 고려한 수정계수항 추가 수정계수 함수 : : the maximum loading stress : the static tensile strength : stress level : stress ratio : stress frequency 각 변수들의 연성효과 무시 a,c 및 각 계수는 실험을 통해 측정

15 실험 : UD-T700-Carbon/FAW123 epoxy (CFRP)
복합재의 Fatigue 사례 분석 A Fatigue Damage model for Composite Material 실험 : UD-T700-Carbon/FAW123 epoxy (CFRP) 복합재는 모두 나란한 방향으로 제작 8층의 적층구조 Shimadzu servo-hydraulic testing machine를 통해 실험 정현파 형태의 반복 하중조건 온도 상승이 확인되면 실험 중단 E11(GPa) X(MPa) E22 Y(MPa) Vf 140.5 2,302.3 9.8 35.16 0.66 X : average tensile stress in x-direction Y : average tensile stress in y-direction 40mm 2mm 235mm 1mm 12.7mm

16 결과 cycle의 영향 matrix crack debonding R=0.1 R=0 a=2 c=2.11

17 Correction 함수가 0.8 일 때 F2, F1은 Fig.8 과 같음
고찰 여러가지 하중조건의 표현이 가능 F1. 하중조건 1번 F2. 하중조건 2번 Correction 함수가 0.8 일 때 F2, F1은 Fig.8 과 같음

18 고찰 Palmgren-Miner 는 실제로 1에서 멀리 떨어진 수치를 보여주지만 하중조건의 순서에 영향을 받는다.
이 모델에서는 거의 1에 가까운 수치를 보여준다. 하중조건의 순서에 영향을 받는다. S1. 높은 스트레스 레벨 S2. 낮은 스트레스 레벨 S1 주고 S2 를 주면 더 빨리 파손이 일어난다 그리고 그 영향에 따라 값이 다르다.

19 결론 Palmgren-Miner 보다 더 예측이 잘 들어 맞는다. 변수들을 구하기 위해 8종류의 실험만 하면된다.
서로 다른 하중 조건을 기억한다. 파손일 때 거의 1인 수준을 맞춘다. 변수들을 구하기 위해 8종류의 실험만 하면된다.