Micromechanics-based multi-level damage models are presented to predict elastic and elastoplastic overall behavior and damage evolution in composite materials. First of all, Eshelby's tensor for an ellipsoidal inclusion with slightly weakened interface is adopted to model particles with imperfect interface in particle reinforced composites and fibers with imperfect interface in fiber reinforced composites, respectively. Imperfect interfaces between inclusion and matrix in composites occur as deformations or loadings continue to increase. As an effort to realistically reflect the effect of loading history on the progression of imperfect interface, a multi-level damage model in accordance with the Weibull's probabilistic function is developed. It is assumed that the progression of imperfect interface is governed by the average stress of inclusion. To the estimate overall elastoplastic behavior of ductile matrix composites, an effective yield criterion is derived based on the ensemble-volume averaging process and the first-order effects of eigenstrains due to the existence of spherical inclusions.
As applications, the overall elastic and elastoplastic stress-strain curves of particle reinforced brittle matrix composites, particle reinforced ductile matrix composites, and unidirectional fiber reinforced brittle matrix composites under uniaxial, biaxial, and triaxial loading are investigated in detail. A series of parametric analysis are carried out to investigate the influence of model parameters. Furthermore, the proposed multi-level damage models are compared with available experimental data in the literature to verify the accuracy of the models. Finally, proposed micromechanics-based evolutionary multi-level damage model for unidirectional fiber reinforced composites is implemented into a finite element program ABAQUS to predict behavior of laminated composites under various loading conditions.
복합재료의 탄성 및 탄소성 거동과 손상 진전을 예측하기 위해 미세역학을 기반으로 한 다단계 손상 모델을 제안하였다. 먼저, 손상경계면을 갖는 입자강화 복합재료와 섬유강화 복합재료의 손상을 모사하기 위해 미소한 손상경계면을 갖는 타원체형 강화입자 Eshelby 텐서를 적용하였다. 변형이나 외부하중이 증가함에 따라 강화입자와 기지재료 사이의 손상경계면이 발생한다. 이러한 손상경계면의 손상의 변화 정도를 실제적으로 모사하기 위하여 Weibull 확률함수를 기본으로 한 다단계 손상모델을 개발하였다. 다단계 손상 확률함수에서 손상의 진전은 강화입자의 내부응력에 의해 지배된다고 가정하였다. 연성의 기지재료를 갖는 복합재료의 탄소성 거동을 예측하기 위하여 Ensemble-volume average와 first-order effects of eigenstrain의 개념을 적용하여 유효 항복 기준을 유도하였다.
제안된 다단계 손상모델들을 적용하였다. 먼저, 취성의 기지재료를 갖는 입자강화 복합재료, 연성의 기지재료를 갖는 입자강화 복합재료, 그리고 취성의 기지재료를 갖는 섬유강화 복합재료를 1축, 2축, 3축 응력 하에서의 응력-변형률 관계를 조사하였다. 모델상수들이 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해 변수검증을 실시하였다. 또한, 문헌조사를 통하여 얻은 기존 실험결과와의 비교를 통하여 제안된 모델들의 검증을 실시하였다. 최종적으로 비선형 유한요소 프로그램인 ABAQUS에 적용하여 다양한 경계조건을 갖는 적층된 복합재료의 거동을 예측하였다.
