This dissertation presents the micromechanics-based analytical models for simulating the effective mechanical behavior of particulated- and fiber-reinforced composites. In a micromechanics-based analysis, the composite materials are simplified in characterization models based on a widely accepted homogenization theory. The ensemble-volume average method based on homogenization theory is used for predicting the effective behavior of particulated- and fiber-reinforced composites in this work. In particular, the progressive damage induced by interface debonding and void evolution is considered to describe the damage characteristic in the composites.
This dissertation can be divided into five works as follows: 1) Elastic-damage modeling for particulate composites considering cumulative damage, 2) Modeling of particle debonding and void evolution in particulated ductile composites, 3) An RVE-based micromechanical analysis of fiber-reinforced composites considering fiber size dependency, 4) Elastoplastic modeling of circular fiber-reinforced ductile matrix composites considering a finite RVE, and 5) Closed form solution of the exterior-point Eshelby tensor for an elliptical cylindrical inclusion. This thesis includes the expansion of the analytical approach, verification results of the proposed models, implementation of a variety of parametric study, and comparison between the analytical predictions and experimental results.
The proposed micromechanics-based analytical models are validated through comparison with correlation studies on the analytical and experimental results. The use of the proposed models makes it possible to accurately simulate the progressive damage behaviors of the particulate- and fiber-reinforced composites. In addition, the proposed model with further researches will contribute to efficiently predict the damage behavior of composite materials in the range from nanoscale to microscale.
이 논문에서는 입자/섬유 보강 복합재료의 유효 거동을 해석하기 위한 미시역학 기반 해석 모델을 제안하였다. 미시역학 기반 모델에서, 복합재료는 널리 적용되는 균질화 이론(homogenization theory)에 기반한 특성 모델로 단순화될 수 있다. 이 연구에서는 입자/섬유 보강 복합재료의 유효 거동 예측을 위해 균질화 이론에 근거한 Ensemble-volume average method가 적용되었다. 특히, 복합재료의 손상 특성을 규명하기 위해 계면 손상 및 공극에 의해 유발되는 점진적 손상이 고려되었다.
이 논문은 다음과 같이 1) 누적 손상(cumulative damage)을 고려한 입자 보강 복합재료의 탄성 손상 모델, 2) 입자 보강 연성 기지 복합재료(particulated ductile composite), 3) 섬유의 크기를 고려한 섬유 보강 복합재료의 RVE (representative) 기반 미시역학 해석, 4) 유한 RVE를 고려한 섬유 보강 연성 기지 복합재료(fiber-reinforced ductile matrix composite)의 탄소성 모델, 5) 타원형 단면을 가진 원주형 입자를 위한 Eshelby 텐서의 Closed-Form의 5가지 연구로 나뉘어진다. 이 논문은 해석적 접근의 확장, 제안된 모델의 검증, 다양한 parametric 연구 및 해석적 예측과 실험 결과와의 비교를 포함한다.
제안된 미시역학 기반 모델은 관련된 해석 및 실험 결과와의 비교를 통해 검증하였다. 이 논문에서 제안된 모델은 입자/섬유 보강 복합재료의 점진적 손상 거동을 정확히 예측할 수 있는 것으로 기대된다. 또한, 향후 추가 연구를 통해 이 논문에서 제안된 모델은 나노에서부터 마이크로 스케일 범위에 걸쳐 복합재료의 손상 거동을 효과적으로 반영할 수 있을 것으로 기대된다.
