파괴인성시험의 유한요소 시뮬레이션

주석재(Seok Jae Chu),류총호(Conghao Liu) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.4

인장시험을 유한요소 시뮬레이션하여 등가응력-등가소성변형률 곡선, 임계 등가응력과 임계 등가소성변형률을 결정하였다. 그리고, 이 곡선을 입력하여 파괴시험을 유한요소 시뮬레이션하여 평면변형률 파괴인성치를 결정하여 보려고 하였다. 균열선단절점에서 등가소성변형률이 임계 등가소성변형률에 도달할 때 균열개구변위를 임계 균열개구변위로 취하여 균열성장조건으로 사용되었다. 임계 등가소성변형률이나 단면감소율과 파괴시험 임계 균열개구변위와 관련성을 찾아보고, 임계 등가응력과 임계 등가소성변형률을 동시에 적용하여 파괴시험 파괴인성치와의 관련성도 찾아보았다. Finite element simulations of tensile tests were performed to determine the equivalent stress ? equivalent plastic strain curves, critical equivalent stresses, and critical equivalent plastic strains. Then, the curves were used as inputs to finite element simulations of fracture toughness tests to determine the plane strain fracture toughness. The critical COD was taken as the COD when the equivalent plastic strain at the crack tip reached a critical value, and it was used as a crack growth criterion. The relationship between the critical COD and the critical equivalent plastic strain or the reduction of area was found. The relationship between the plane strain fracture toughness and the product of the critical equivalent stress and the critical equivalent plastic strain was also found.

유리섬유 복합재료의 파괴인성치에 미치는 다중 벽 탄소 나노튜브와 진공의 영향

구천(Tian Gou),염영진(Young Jin Yum) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.2

Chopped strand mat(M)과 Woven(W), 두 가지 형태의 유리섬유와 불포화 폴리에스터 수지를 혼합하여 6가지 적층 순서([M₄/M₄], [W₄/W₄], [M₄/W₄], [M/W]₄, [M/W/M/W]S, [W/M/W/M]S)를 갖는 복합재료를 제작하였다. 제작 시 진공을 적용하고 다중 벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotube)를 첨가하여 파괴 인성치에 미치는 영향을 고찰하였다. DCB(Double Cantilever Beam) 시편과 ENF(End-Notched Flexure) 시편을 이용하여 각각 모드 I, II 파괴인성치를 구하였다. 시험 결과 [W/M/W/M]S 조합이 가장 파괴인성치가 큰 것으로 밝혀졌고 fiber bridge가 층간 파괴에 영향을 미침을 확인하였다. 또한 진공을 적용했을 경우와 MWCNT를 첨가하였을 경우 파괴인성치가 현저히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 여러 가지 제작 조건하에서 적절하게 설계된 복합재료 구조가 요구됨을 알 수 있었다. Two types of glass fiber, chopped strand mat (M) and woven (W), were combined together by using unsaturated polyester resin (UPR) in 6 different stacking sequences: [M₄/M₄], [W₄/W₄], [M₄/W₄], [M/W]₄, [M/W/M/W]S and [W/M/W/M]S. The effect of fabrication conditions such as vacuum and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) on the fracture toughness of composites was investigated. Mode I and II fracture toughnesses were obtained from Double cantilever beam (DCB) test and the End-notched flexure (ENF) test respectively. As a result [W/M/W/M]S showed largest fracture toughness and it was found that fiber bridge had a great effect on the fracture behavior. Besides, the vacuum and MWCNTs showed a positive effect on fracture toughness in mode I and mode II tests. Consequently, properly designed structure is recommended under different fabrication conditions.

炭素纖維强化 複合材料의 혼합모우드 層間破壞靭性値에 대한 硏究

윤성호,홍창선 대한기계학회 1986 대한기계학회논문집 Vol.10 No.2

본 연구에서는 Fig.1과 같이 시편 부위에 균일응력분포가 작용하도록 M.Arcan 등에 의해 제시된 비대칭형상의 시편고정물에 층간균열을 가진 시편을 부착한 다음 하중각도를 바꾸어가며 모우드 II뿐 아니라 혼합모우드 및 모우드 I까지도 실험 할 수 있는 실험장치를 사용하여 균열면에서의 섬유방향이 〔0/0〕이고 초기균열길이비가 0.4, 0.5, 0.6인 시편의 모우드I, 혼합모우드 및 모우드II 층간파괴인 성치들을 실험 적으로 구해 혼합모우드 파괴결정조건식들에 적용시켜 보았다. 또한 균열면에서의 섬유방향이 〔0/0〕, 〔0/30〕, 〔0/45〕및 〔0/60〕인 경우의 층간파괴인성치와 이때 의 파괴현상에 대해 관찰하였다. This study investigates interlaminar fracture characteristics of Graphite/Epoxy composite (HFG Graphite/Epoxy) under mode I (opening mode), mode II (sliding mode) and mixed mode loading conditions. The effects on interlaminar fracture toughness due to different fiber orientations on the crack surface are also investigated. The antisymmetric test fixture proposed by M. Arcan is used for this test. Both critical stress intensity foctors and critical energy release rates were determined and several mixed mode fracture criteria were compared to the experimental data. Also fracture surfaces were investigaed to obtain informations on the fracture behaviors of Graphite/Epoxy composite by means of a scanning electron microscope(SEM).

하이브리드 복합재료의 모드 층간파괴인성치에 관한 연구

김형진,곽대원,김재동,고성위 한국수산해양기술학회 2003 수산해양기술연구 Vol.39 No.4

This paper describes the effect of loading rate, specimen geometries and material properties for Mode Ⅰ interlaminar fracture toughness of hybrid composite by using double cantilever beam(DCB) specimen. In the range of loading rate 0.2~20mm/min, there is found to be no significant effect of loading rate with the value of critical energy release rate(). The value of for variation of initial crack length are nearly similar values when material properties are CF/CF and GF/GF, however, the value of GIIC are highest with the increasing intial crack length at CF/GF. The SEM photographs show good fiber distribution and interfacial bonding of hybrid composites when the moulding is the CF/GF. 하이브리드 복합재료(Hybrid composite)의 모드 Ⅰ 층간 파괴 인성치에 영향을 주는 인자 중 적층순서, 하중점변위율, 초기크랙길이를 변화 시켰을 때의 실험 결과는 다음과 같다. (1) CF/CF, CF/GF, GF/GF로 적층하였을 경우 층간파괴인성치값은 서로 같은 계면을 성형한 것보다 서로 다른 계면을 적층한 CF/GF의 경우가 강도면에서 가장 높게 나타나는 것을 알 수 있다. (2) 하중점변위율을 0.2, 2, 20mm/min로 변화하였을 때, 미세한 변동은 있었으나, 하중점변위율의 영향은 거의 받지 않는 것을 알 수 있었다. (3) 초기크랙을 25, 30, 35, 40, 50mm로 변화시켰을 때 초기크랙길이의 영향은 일정하지 않았다. CF/CF인 경우는 초기크랙이 짧은 경우, CF/GF, GF/GF인 경우는 초기크랙이 긴 경우에 높은 값을 나타냈다. 이것은 GF 섬유가 직조형태의 프리프레그로 되어 있어 크랙의 진전에 따라 섬유부스러기 등의 생성에 따른 영향이라고 생각된다. (4) 적층순서에 따라 파면의 섬유 분포 형태가 달랐으며, CF/GF인 경우가 섬유의 파손형태가 가장 복잡하게 나타났으며, 이것이 높은 층간파괴인성치를 나타내는 원인이라고 판단된다.

나노 입자가 시멘트 모르타르의 파괴인성치에 미치는 영향

최승원,백초원,이선열,뉘엔 반 통,김동주 한국건설순환자원학회 2023 한국건설순환자원학회 논문집 Vol.11 No.4

이 연구는 나노 입자의 혼입이 시멘트 모르타르의 파괴인성치에 미치는 영향을 조사하였다. 탄소나노튜브 (carbon nanotube, CNT), 나노실리카 (nanosilica. NS), 그리고 나노 탄산칼슘 (nano calcium carbonate, NC)가 각각 혼입된 시멘트 모르타르의3점 재하 휨강도, 압축강도, 슬럼프 실험을 수행하였다. 물시멘트비, 잔골재시멘트비가 각각 0.45, 1.5인 모르타르에 19.5 mm 강섬유가 0, 2 vol.% 혼입된 시멘트 모르타르를 사용하였다. 나노 입자 혼입은 시멘트 모르타르의 파괴인성치와 압축강도를 일부 향상시켰다. 그러나 강섬유가 보강된 시멘트 모르타르의 경우 나노 입자 혼입은 모르타르 유동성을 저하하여 강섬유의분산도에 부정적 영향을 초래하여 오히려 파괴인성치를 감소시키는 결과를 확인할 수 있었다. 나노 입자의 혼입으로 인한모르타르의 유동성 저하를 개선할 수 있는 추가적인 연구가 필요하다. This s tudy investigated t he e ffects of n anoparticles o n the fracture t oughness o f cement m ortar. T hree-point b ending tests, compressive tests, and slump tests were conducted on cement mortars reinforced with carbon nanotubes(CNTs), nanosilica(NS), and nano calcium carbonate(NC), respectively. Cement mortar with a water-to-cement ratio and a sand-to-cement ratio of 0.45 and 1.5, respectively, and reinforced with 0 and 2 vol.% of 19.5 mm steel fibers, respectively, was used. Reinforcement with nanoparticles partially improved the fracture toughness and compressive strength of the cement mortar. However, in the case of cement mortar reinforced with steel fibers, the reinforcement with nanoparticles was found to reduce the flowability of the mortar, adversely affecting the dispersion of s teel fibers, a nd u ltimately leading t o a decrease i n fracture t oughness, contrary t o the intended enhancement. Additional research is needed to improve the decrease in mortar fluidity caused by the reinforcement with nanoparticles.

구멍이 있는 고속 회전 원통용기의 파손 및 수명 해석

이억섭(Ouk Sub Lee),김홍민(Hong Min Kim),최혜빈(Hye Bin Choi) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.4

파괴역학을 적용하여 고속 회전 원통 용기의 파손 원인을 분석하였다. 파괴역학을 적용하여 고속회전 원통 용기의 파손 원인과 파손 과정을 상세하게 분석하였다. 파손 해석과 수명 해석을 수행하는데 필요한 정보인 원통 용기 제작 당시 사용한 재료의 파괴역학적인 물성치를 포함하는 피로 파손 해석 과정을 요약하였다. 원통 용기에 발생하는 이론적 원통 용기최대응력의 크기와 가동조건 하에서 발생한 결과를 비교하였다. 시편의 파면을 OM과 SEM으로 관찰하여 피로 균열 전파 개시 지점을 찾고, 균열전파의 거동을 규명한 후 피로균열전파 수명을 산정하였다. Paris model 을 적용하여 산정된 피로수명과 고속 회전 원통용기의 실제 피로 수명을 비교하였다. Fracture mechanics is used for the detailed analysis of the failure of high-speed rotating cylindrical vessels. The general procedure for the analysis of fatigue life and failure used in this study is summarized; the initial material properties are also described. The results of the theoretical stress analysis are compared to the observed magnitude of the stress under the operational condition. The fracture-surface configurations observed under both optical and scanning electron microscopes are used to investigate the progress of fatigue crack propagation. Fatigue life estimates obtained by using the Paris model are compared to the actual service life of the high-speed rotating pressure vessel.

층간파괴인성치에 대한 섬유방향의 영향에 관한 연구

이정규(Jung-Kyu Lee),엄윤성(Yoon-Sung Um),김형진(Hyung-Jin Kim),고성위(Sung-Wi Koh) 한국해양공학회 1995 韓國海洋工學會誌 Vol.9 No.2

To investigate the effect of fiber orientation on the interlaminar fracture toughness of carbon fiber reinforced plastics three prepregs which are domestic products are used in this paper. Those are used for the unidirectional composites, but only one is used for the cross-ply laminate composites which is molded [0/90]6s [0/45]6s and [0/45/90]4s. The specimens used for the mode Ⅰ and mode Ⅱ tests are DCB and ENF configurations, respectively. The fractured surface of the DCB and ENF samples are examined by scanning electron microscope(SEM). The value of GIC is almost same when modified three calculating methods are applied. The highest value of GIC at crack initiation is obtained at the [0/90]6s interlaminar and the lowest one is at the [0/45/90]4s interlaminar. The highest value of GIIC at crack initiation, however, is obtained at the [0/90]6s interlaminar and the lowest one is at the [0/45]6s. The photographs of SEM show a difference behaviour between mode Ⅰ and mode Ⅱ fracture surface.

비파괴적인 재료물성치 평가에 관한 연구

김형익(Hyung Ick Kim),석창성(Chang Sung Seok),김정표(Jeong Pyo Kim) Korean Society for Precision Engineering 2005 한국정밀공학회지 Vol.22 No.3

The nondestructive evaluation system consisted of a ball indentation tester and a ultrasonic tester was developed to evaluate material properties. The relations between the parameters from test results using the system and the results of tensile and fracture toughness tests were investigated. The fracture toughness and tensile properties could be determined using the system. Some metallic materials were experimented to predict the fracture toughness and tensile properties and verify the relations between them. The predicted fracture toughness and tensile properties show a good agreement with the results obtained by conventional tests. It is found that the material properties and the material degradation can be evaluated using the nondestructive evaluation system.

피로파괴 인성치의 통계적 성질에 관한 연구

오환교,김희송 대한기계학회 1994 대한기계학회논문집 Vol.18 No.11

Many researchers presented a probabilistic and statistical property of the material strength. However, the study on probabilistic and statistical property of fatigue fracture toughness has not been nearly presented. Major objectives in this paper are to compare the statistical test results of fatigue fracture toughness with those obtained in the tensile experiments, and to recognize the size effect for the probabilistic and statistical property by using specimens with various thickness.

균열정지현상에 관한 기초적 연구

이억섭,김상철,송정일 대한기계학회 1990 대한기계학회논문집 Vol.14 No.1

본 연구에서는 ASTM-E24.01.06에서 제안하고 있는 실험방법을 응용하여 균열 정지 파괴인성값을 측정하였다.즉 쐐기와 분리형 부싱(wedge and split bushing)으 로 압축하중을 가함으로 균열선 웨지하중 시편[crack line wedge loaded specimen(CL- WL시편)]에 인장력을 발생시켜서 균열정지 응력확대계수( $K_{1a}$)를 결정하였다. 그리고 균열개시 응력확대계수가 균열정지 응력확대계수에 미치는 영향들을 여러가지 재료들에 대하여 체계적으로 검토하였다.다. Catastrophic fracture cannot be avoided after cracks(initiated from pre-existing defects) propagate rapidly with speeds comparable to a sound wave velocity of the materials. Preventing catastropic failure, crack arrest fracture toughness defined from dynamic(or kinetic) fracture mechanics point of view has been introduced in determining accurate and/or proper crack arrest fracture toughness of a material. For the past decades, many studies have been carried out to render proper theoretical and experimental backgrounds on the use of the static plain strain crack arrest fracture toughness, $K_{1a}$ (which seems to be a material property). $K_{1a}$ has been used to predict the performance of thick walled structures and has been considered as a measure of the ability of a material to stop a fast running crack. Determination of such a material property is of prime importance to the nuclear reactor pressure vessel and bridge materials industries. However, standards procedures for measuring toughness associated with fast running cracks are yet to exist. This study intends to give insight on the determination of the crack arrest fracture toughness of materials such as polymethylmethacrylate(PMMA), SM45C-steel, and A1 7075-T6. The effects of crack jump lengths and fast crack initiation stress intensity factor on the determination of $K_{1a}$ have been experimentally observed.erved.