Failure Analysis Of Composite Laminates With Low Velocity Impact

국문 초록 (Abstract)

복합재료적층판재는 상대적으로 우수한 높은 강도, 강성 및 다양한 설계의 특성으로 인하여 건설, 항공 우주, 자동차 및 스포츠 장비 등 각종 분야에 다양하게 사용된다. 충격에 의해 발생한 손상은 유지 보수 및 서비스 작업 중에 발생할 수 있으며 이러한 저속 충격은 심각한 손상을 야기할 수 있다. 이러한 손상들은 시각적으로 발견하기 어렵고 쉘 및 판재 구조물의 강성과 강도의 심각한 감소를 가져올 수 있으며 따라서 복합재료의 내충격성이 매우 약해질 수 있다. 따라서, 저속충격에 의한 복합재료적층판의 파손을 예측하는 연구가 필요하다.
본 논문에서 3가지의 다른 충격하중 (충격에너지) 수준에 따라 저속충격에 의한 복합재료적층판의 충격 손상 영향을 유한 요소법으로 연구한다. 또한 보다 개선된 파손 판별식이 자세히 제시되었다. 실험 시편의 재료는 보잉 747 기체에 사용된 재료와 동일하다. 우선, ANSYS 유한 요소 시뮤레이션의 플랫폼에 기초를 두어 복합 적층판재 (〖[0/45/-45/90]〗_s)의 유한 요소모델을 개발하였다.
이 모델에서는 Chang-Chang의 판별식으로 부터 유도된 섬유 파손, 기지재료 균열, 기지재료 파괴의 판별식을 각각 사용하여 저촉충격 하중시 각 장마다 파손 판별여부를 결정하였다. 또한 복합재료적층판의 파손을 실험적으로 예측하기 위하여 스트레인게이지를 사용 변형률과 응력 계산 결과를 사용하였다. 그결과는 시뮤레이션 결과와 비교하였다. 실험 결과와 시뮤레이션 결과는 대체적으로 일치함을 알 수 있었다. 그리고 복합배료적층판의 각 장의 파손여부를 평가하기 위하여 본 연구를 위해 개발된 유한 요소 모델을 이용하였다. 4개의 파손 기준식을 통하여 섬유강화 복합재료의 각 장에서 파손발생 여부를 알아낼 수 있었다. 증가한 충격하중, 충격속도 와 충격에너지에 따라서 섬유강화 복합재료의 내부 손상이 증가함을 알 수 있었다. 또한 복합재료적층판에 가해진 작은 충격하중에 시각적으로 발견 안되는 파손사이즈와 위치를 본 연구에서 개발한 유한 요소 모델을 사용 식별 할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Reinforced composite laminates are used in a wide variety of applications such as construction, aerospace, automobiles and sports equipment due to their high specific strength, high specific modulus and strong designable characteristic. Impact-induced damage may arise during manufacture, maintenance and service operation. Low velocity impact cause significant damage, such damage is very difficult to be detected visually and can result in severe reductions of the shell structures stiffness and strength, besides impact resistance of composite material is a serious drawback. Therefore, it is very necessary to study predict damage failure in reinforced composite laminated structure subjected to low velocity impact.
In this paper, the impact damage effects of reinforced composite laminate and shell structures subjected to low velocity impact with three different loading levels were investigated by finite element method, the implementation of improved failure criteria for laminated composite structures is given in detail. The material of experimental specimens is the same as the Boeing 747 fuselage. Firstly, based on the ANSYS finite element simulation platform, the finite element impact model of composite laminate is developed by Shell element with 8 layers by different stacking sequence.
In this modeling, mainly consider four failure criteria as fiber breakage, matrix cracking, matrix crushing and delamination of Chang-Chang criteria under low velocity impact loading. In order to validate the finite element model to predict the damage of composite laminate under low velocity impact loading, the simulation results are compared with the experimental results which obtained by strain gages, and it was found that the simulation results were consistent with experimental results, also, the verified finite element model is used to evaluate the damage and failure of each layer of composite laminate. According to the simulation results with four criteria, we can determine whether the damage and failure take place in each layer of reinforced composite. The results show that the internal damage of reinforced composite laminate increase with increasing the impact loading speed and energy. It can be identified with new developed FE model for the damage size and location of the reinforced composite laminate, which we can’t detect visually, subjected to small impact loading.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Paper survey 2
• 1.2 Impact resistance characteristic of reinforced composite laminate structure 4
• 1.3 The scope of study 5
• Chapter 2 Damage Analysis of Composite Laminateunder Low Velocity Impact Loading 8
• 2.1 Classical laminated plate theory 8
• 2.2 Orthotropic material 9
• 2.2.1 stress-strain relationship for generally orthotropic lamina 10
• 2.3 Finite element analysis of composite laminate subjected to low velocity impact 13
• Chapter 3 Failure Criteria Research Of Composite Material Structures 14
• 3.1 Composite failure criteria 14
• 3.2 Failure criterion of composite laminate for this study 22
• Chapter 4 Experiment 25
• 4.1 Experiment setting 25
• 4.2 Material 27
• 4.3 Strain gage 28
• 4.4 Experiment procedure 29
• 4.5 Experimental result 30
• 4.5.1 Load cell result (load vs. time) 31
• 4.5.1.1 The 1st Experiment with impact energy of 3.31J 31
• 4.5.1.2 The 2nd Experiment with impact energy of 6.62J 33
• 4.5.1.3 The 3rd Experiment with impact energy of 10.54J 34
• 4.5.2 Strain gages results 35
• 4.5.3 Stresses results 36
• 4.5.6 Failure analysis 37
• Chapter 5 Finite Element Modeling For Composite Laminate under Low Velocity Impact Loading 40
• 5.1 FEM model 40
• 5.2 FEM result 42
• 5.2.1 Deformation analysis 42
• 5.2.2 Stress analysis 44
• 5.2.2.1 The stress values with impact energy 3.31J (applied load 2.04kN and velocity 2.43m/s) 44
• 5.2.2.2 The stress values with impact energy 6.62J (applied load 3.03kN and velocity 3.43m/s) 46
• 5.2.2.3 The stress values with impact energy 10.54J (applied load 4.4kN and velocity 4.32m/s) 49
• 5.2.3 Failure analysis 51
• Chapter 6 Results and Discussion 55
• Chapter 7 Conclusions 57
• Reference 58
• Korean Abstract 61