A micromechanics-based viscoelastic damage model that can predict the overall viscoelastic behavior of particle/discontinuous fiber-reinforced polymeric composites undergoing damage is studied. For composites, the role of matrix is transferring stress to reinforcements, and protecting other phases from environments. The matrix is generally divided to three types that of metal matrix composites (MMC), ceramic matrix composites (CMC), and polymeric matrix composites (PMC). Among three types of matrix, PMC shows the viscoelastic behavior, and it remarkably affects overall stress-strain response. The emphasis here is that the present model successfully combines a rate-dependent viscoelastic constitutive model and a damage model.
As application, we propose a model for predicting behavior of particulate reinforced polymeric composite in chapter 2. The Laplace transform based on the Boltzmann superposition principle and the ensemble-volume averaged method suggested by Ju and Chen (1994a, 1994b) are extended towards effective viscoelastic properties. Further, the probability of the distribution function of Weibull (1951) is adopted to describe a damage model that is dependent on damage parameters. A series of numerical simulations including parametric studies, and experimental comparisons are carried out to give insight into the potential capacity of the present micromechanics-based viscoelastic damage framework.
In addition, aligned and 3D randomly oriented discontinuous fiber reinforced polymeric composites is modeled in chapter 3. A micromechanical model to predict the effective viscoelastic stress-strain behavior of composite is derived by incorporating the Laplace transformed superposition principle into the ensemble-averaged method (Ju and Chen, 1994a) as the same principle as chapter 2. The Weibull`s damage function (Weibull, 1951) is applied to viscoelastic model for characterizing the evolution of damaged discontinuous fiber. A series of numerical simulations is conducted to test the influence of damage parameters, aspect ratio of discontinuous fiber, fiber orientation, and strain rate under different loading conditions. In addition, experimental comparisons are conducted to illustrate and assess the predictive capability of the proposed model.
복합재료는 일반적으로 천연재료와 비교하여 강도와 내구성, 그리고 피로에 대한 저항성이 우수하다. 또한 어떠한 강화체와 기지재료를 사용하는가, 얼마만큼의 강화체를 사용하는가, 또한 어떠한 배열로 강화체를 배치하는가에 따라서 사용자가 원하는 목적에 맞게 그 재료의 특성을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 그 중에서 복합재료의 기지재료로서 에폭시, 폴리프로필렌, 폴리이미드와 같은 고분자 물질을 사용할 경우 염화 및 부식에 대한 저항성이 강하면서도, 성형 및 주조하기 편리한 복합재료를 제작할 수 있다. 이러한 고분자 복합재료의 가장 큰 장점으로는 무게대비 인장강도가 우수하다는 점과 높은 에너지 흡수율을 들 수 있다.
고분자 복합재료의 경우 겉을 둘러싸고 있는 기지재료의 경우 고분자 물질을 사용하지만 그 안에는 일반적으로 탄성의 강화체가 사용된다. 그리고 이러한 강화체로는 크게 입자와 단 섬유, 섬유 등으로 나눌 수 있는데, 입자의 경우 유리구술과 암석입자, 알루미늄 입자 등이 사용되며 단 섬유 및 섬유로는 유리섬유, 탄소섬유, 폴리프로필렌 섬유 등을 사용한다. 이러한 재료들에 대해서 모든 경우에 대해서 실험적으로 접근을 한다면 거기에 따른 비용과 시간의 손실이 클 것이며, 따라서 재료의 특성을 알맞게 고려한 적절한 모델 예측 식을 필요로 한다.
본 연구의 목적은 고분자 복합재료의 점탄성적 특징 및 강화체와 기지재료 사이의 불균질성으로 야기된 손상을 고려한 새로운 해석모델을 제안함에 있다. 기본적으로 복합재료는 불균질성 재료이기 때문에 해석을 위한 재료의 균질화가 필요한데, 이를 위해 강화체가 기지재료 안에 존재함으로써 발생하는 교란응력을 이용한 미세역학 이론이 사용되었다 (Eshelby, 1961). 또한 점탄성적 특성을 고려하기 위해 Boltzmann superposition principle 을 라플라스 변환된 형태 (Li and Weng, 1994)로 기존의 미세역학 기반의 Ensemble-volume average (Ju and Chen, 1994)에 적용하였다. 추가적으로 재료의 손상을 고려하기 위하여 Weibull (1951)의 확률분포함수를 미세역학 식에 대입하였다. 고분자 복합재료를 입자로 강화한 경우와 단 섬유를 일방향으로 배열 혹은 3차원으로 랜덤하게 배열한 경우로 나누어 재료의 거동을 예측하였으며, 특히 단 섬유 강화체를 사용한 경우 섬유의 형상 비와 배열의 영향에 대해서 조사하였다. 수치해석을 통해 점탄성의 기지재료를 갖는 입자강화 복합재료, 섬유강화 복합재료를 1축, 2축, 3축 응력 하에서의 응력-변형률을 조사하였다. 또한 모델상수들이 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해 변수 검증을 실시하였다. 또한 문헌조사를 통하여 얻은 기존 실험결과와의 비교들 통하여 제안 모델의 검증을 실시하였다.
