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Delamination buckling for laminated composite structures with curvature = 곡률을 갖는 복합적층구조물의 적층분리 좌굴
서명 / 저자 Delamination buckling for laminated composite structures with curvature = 곡률을 갖는 복합적층구조물의 적층분리 좌굴 / Yu-Jun Kim.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1996].
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Finite element analysis is employed to find the deformation behaviors for delamination buckling of laminated composite panels with curvature. For the present study, two models are considered ; one is a short laminated orthotropic tube, which is assumed to undergo axisymmetric buckling deformation under uniform axial compression due to its short axial length, the other is a curved composite panel undergoing a fully three-dimensional deformation under axial compression. Delamination is assumed to exist prior to loading, and it spans the entire circumference. Both of the two models are subjected to axial loading in the form of uniform applied displacement. On the basis of a total Lagrangian approach, non-linear finite element analysis is formulated with emphasis on finding non-linear post-buckling behavior. Solution procedure for treating the frictionless contact of delamination crack faces for a short orthotropic tube via nonlinear finite element method is treated with the aid of the well-known quadratic programming procedure described by the incremental potential energy and impenetrable constraint of delamination crack faces. To treat the three-dimensional frictionless contact for a curved composite panel, the Lagrange multiplier method is introduced and an algorithm of nodes to surface contact is employed. Furthermore, to calculate energy release rate at the tip of delamination the path independent J-integral is formulated for a three-dimensional case and for an axisymmetric case in the context of finite deformation. The numerical results obtained from non-linear finite element method show an inherently built-in crack arrest mechanism for the short orthotropic laminated tube. For the laminated composite panel with curvature, no bifurcation phenomena are observed due to the effect of curvature, and the localized high energy release rate may lead to non-uniform growth of the crack front.

본 논문은 지금까지 주로 연구되어온 복합적층 평판(flat panel)의 적층분리 좌굴 (delamination buckling)현상의 규명노력에 한걸음 더 나아가 구조용 요소로 많이 사용되는 곡률(curvature)을 갖는 복합적층 패널의 적층분리 좌굴현상을 고찰하여 보고자 한다. 적층분리 좌굴은 적층분리균열(delamination crack)을 갖는 구조요소에 국부적(local) 혹은 전체적(global)으로 압축하중이 작용하여 국부적이나 전체적으로 좌굴이 발생하는 현상을 의미하며, 이 현상은 구조물의 불안정성(structural instability)과 결합된 적층분리균열의 파괴거동(fracture behavior)이 급격한 균열의 성장(crack growth)을 유발하는 치명적인 것으로 알려져있다. 적층분리균열을 갖는 곡률패널의 모델로는 단순한 축대칭(axisymmetric) 적층분리 좌굴현상을 고찰하기위해서 원주방향으로 관통균열(circumferential delamination crack)을 갖는 직교이방성(cross-ply) 복합적층 튜브의 축방향 압축거동을 현상학적으로 고찰하여 보고, 이 모델을 확대시킨 원주방향 관통균열을 갖는 3차원 곡률패널의 축방향 압축거동으로설정한다. 본 연구는 축대칭 및 3차원 적층분리 좌굴의 수치적 시뮬레이션 위해서 비선형 유한요소법(non-linear finite element method)을 이용한다. 여기에 사용되어지는 특별한 수치적 기법으로는 분기좌굴(bifurcation buckling)의 경우 임계좌굴점(critical buckling point)의 판정 및 좌굴후 경로(secondary path)의 추적을 위해서 접선강성행렬(tangent stiffness matrix)의 Positive Definiteness 판정법과, 좌굴전 경로(primary path)와 임계좌굴점의 고유벡터 (eigenvector)방향의 합으로 가정된 좌굴후 경로추적법을 사용한다. 또한, 곡률과 서로다른 재료의 적층에 따른 적층분리면의 접촉을 수치적으로 처리하기 위해서 Lagrangian Multiplier 법에 기초한 3차원 비마찰 접촉법을 사용하였으며, 축대칭 적층분리 좌굴의 경우에는 최적설계 기법의 하나인 이차계획법(quadraticprogramming)을 적용하였다. 균열선단의 파괴거동 평가를 위해서 중요한 파괴역학적 매개변수인 에너지 방출율(energy release rate)의 계산은 균열선단의 보존적분인 J-적분을 비선형의 경우로 확대 적용하였다. 이와 같은 수치적 기법을 통하여 시뮬레이션된 곡률패널 및 튜브의 적층분리 좌굴은 평판에 존재하는 관통균열의 적층분리 좌굴과는 달리 축대칭 적층분리 좌굴을 하는 튜브의 경우 균열잡힘 현상(bulit-in crack arrest mechanism)을 고찰할 수 있었으며, 곡률패널의 3차원 적층분리 좌굴의 경우는 균일한 균열의 가정에도 불구하고 균일하지 않은 균열성장의 가능성을 고찰해 볼 수 있었다. 따라서, 본 연구는 곡률과 적층의 효과가 적층분리 좌굴에 미치는 영향을 고찰하는 실마리를 제공하며, 앞으로 곡률패널의 적층분리 좌굴현상의 계속적이고 신뢰성 있는 연구를 위해서 Reference Solution을 제공하고 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 96040
형태사항 xii, 114 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 Appendix : Tangent stiffness matrix
저자명의 한글표기 : 김유준
지도교수의 영문표기 : Se-Young Im
지도교수의 한글표기 : 임세영
수록잡지명 : "Delamination Buckling of a Short Orthotropic Tube under Axial Compression". Computer & Structures. Pergamon Press, vol. 58, no. 1, pp. 173-182 (1996)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 Reference : p. 39-48
주제 Delamination buckling
Non-linear finite element analysis
Energy release rate
적층분리 좌굴
비선형 유한요소해석
에너지방출율
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