This paper proposes a model that can describe large deformation of fiber reinforced composite and particle reinforced metal matrix composite. The original damage model for fiber reinforced composite to apply to finite element analysis has a limitation that it can be applied only under the plane stress condition as like shell element. In this study, Hashin damage model is expanded to three dimension and it is implemented to be utilized in a commercial code. In this process, an approach that calculates the damage variable incrementally is proposed and the constitutive model is improved using the property of transverse isotropy. The proposed model is verified through single element analyses and multiple element problems are solved for validity. Especially a new constitutive modeling for particle reinforced metal matrix composite is suggested to describe various plastic characteristic and tensile/compressive behaviors in large deformation. Prior to suggesting constitutive equation, internal defects and mechanical behavior in particle reinforced metal matrix composite are investigated through patch tests and SEM images. Based on this analysis, an improved constitutive equation is proposed based on Mori-Tanaka homogenization scheme as a mean-field approach. A general purpose of homogenization method is to calculate an effective properties as like effective tangent modulus, whereas in this study effective stress is calculated from the stress for each phase. In addition, Strength Differential (SD) effect (which the strength is different between tension and compression) and also kinematic hardening behavior (which occurs in case the loading path is changed reversely) are mainly considered. The proposed model is verified through tension and compression tests, and reversal loading test.
본 논문에서는 섬유 강화 복합재와 금속 기지 입자 강화 복합재의 대변형을 모사할 수 있는 모델을 개발하는 연구를 수행하였다. 유한요소해석에 적용을 위한 기존의 섬유 강화 복합재 손상 모델은 쉘 요소와 같은 평면 응력 조건아래에서만 적용이 가능하다는 한계점을 가진다. 본 연구에서는 Hashin 손상 모델을 3차원 모델로 확장하여 유한요소해석 상용 코드에 적용하였다. 이 과정에서 손상 변수를 점진적으로 계산하는 접근법을 제안하고 섬유 강화 복합재의 가로 등방성 성질을 고려하는 모델로 개선되었다. 단일요소해석을 통해 제안된 모델을 검증하고 다중 요소 해석을 통해 제안된 모델의 타당성을 확인하였다. 금속 기지 입자 강화 복합재에 있어서 대변형에서 발생하는 여러 소성 변형의 특성들과 인장 및 압축 거동을 모사할 수 있는 구성 방정식의 부재를 극복하고자 새로운 구성방정식을 제안하였다. 구성방정식 제안에 앞서 물성 시험 및 SEM 현미경 관찰을 통해 금속 기지 입자 강화 복합재의 기계적 거동과 내부적인 결함 요인을 조사하였다. 개선된 구성방정식은 mean-field 접근법인 Mori-Tanaka 균질화법을 기반으로 제안되었으며 일반적인 균질화법은 유효 강성을 구하는 것이 주 목적이라면 본 연구에서는 각 상의 응력 상태를 계산하여 유효 응력을 개선하는 방식으로 접근하였다. 제안된 구성방정식을 이용하여 결함 요인을 중점으로 인장 및 압축 거동에서 서로 다른 항복 및 강도를 보이는 SD 효과와 하중 경로가 역하중 경로로 바뀌는 과정에서 발생하는 이동 경화 거동을 설명하고자 하였다. 제안된 모델의 타당성은 인장 및 압축 시험, 역하중 시험을 통해 검증하였다.
