Composite materials are used widely for aerospace structures due to their superior mechanical properties, including high specific strength and stiffness, large damping, superior fatigue, corrosion resistance, etc. However, composite materials are susceptible to damage from impact loading due to their low toughness. Especially, the damage due to low velocity impact does not clearly appear in its appearance and is difficult to detect. This barely visible impact damage reduces the strength of the structures and can cause unexpected accidents. Various low velocity impacts can occur on the composite structures during manufacturing, operation, and maintenance processes. Therefore, the impact damage and residual strength of the composite structures have been an important issue in the composite industries. The impact damage needs to be considered in the design stage and an efficient analysis tool is required to analyze the impact damage and residual strength of the composite structures.
In this study, a phenomenological composite damage model based on continuum damage mechanics (CDM) was proposed for the impact and residual strength analysis of composite structures. A new damage vari-able considering the Weibull distribution of composite strength was derived to simulate the progression of the composite damage and it was employed in the damage model. The damage variable was verified by comparing with other damage variables and with the test data. The irreversible strain due to damage was also considered in the damage model. Also, nonlocal smeared cracking approach was considered to prevent the strain localization problem. Cohesive zone model was used to simulate the inter-laminar damage of composites. The damage model was implemented in the user material subroutine of ABAQUS/explicit, VUMAT.
Material property test were performed and the test data were statistically analyzed using the Weibull dis-tribution. Impact tests of graphite/epoxy composite plates were performed in a range of impact energy and the impact damage was inspected with the C-scan method. Impact tests of composite overwrapped pressure vessels were also performed and the residual burst strengths were measured after the impact tests. The damage mecha-nisms of composite plate and cylindrical composite pressure vessel under impact loading were investigated. The effect of the damages on the residual burst strength of the cylindrical composite pressure vessel was also investi-gated.
Impact analyses of composite plates and composite pressure vessels were performed using the ABAQUS/explicit program coupled with the developed composite damage algorithm. The analysis results such as the impact response, impact damage, and residual strength, were compared with the test data to verify the damage model and analysis methods.
섬유 강화 복합재료는 높은 비 강성과 비 강도를 가지며, 감쇠, 피로, 부식 저항성 등의 기계적 특성이 우수하여 항공우주 구조물에 많이 사용되고 있다. 하지만, 복합재료는 인성이 작아 외부의 충격에 쉽게 손상이 발생할 수 있다. 특히, 저속 충격에 의해 발생한 손상은 구조물의 표면에 명확히 나타나지 않아 발견이 어려운 경우가 많다. 이러한 보이지 않는 충격 손상은 구조물의 강도를 저하시켜 예상하지 못한 사고를 유발할 수 있다. 복합재료 구조물은 제작, 유지 보수과정 혹은 운용 중에 다양한 종류의 충격에 노출되므로, 복합재료 구조물의 충격 손상 및 잔류 강도는 중요한 문제가 되어왔다. 이러한, 복합재료 구조물의 충격 손상은 구조물의 설계 단계에서 고려되어야 할 필요성이 있으며, 이를 위해 효율적인 손상 및 잔류 강도 해석 방법이 요구된다.
본 연구에서는, 복합재료 구조물의 충격 해석 및 잔류 강도 해석을 위해 연속체 손상 역학에 기초한 복합재료의 현상학적 손상모델을 제시하였다. 복합재료의 파손 진전 해석을 위해 복합재료 강도의 와이블(Weibull) 분포를 고려한 새로운 손상 변수를 유도하였으며, 실험결과 및 다른 손상 변수들과 비교하여 적합성을 검증 하였다. 또한, 복합재료의 손상에 의한 비 복원 변형율을 손상 모델에 고려하였으며, 손상에 의한 변형율 국부화(strain localization) 문제를 해결하기 위해 nonlocal smeared cracking approach를 적용하였다. 또한, 층간 분리 손상을 고려하기 위해 cohesive zone model을 사용하였다. 복합재료 손상 모델은 ABAQUS/explicit 프로그램의 사용자 재료 정의 부 프로그램인 VUMAT의 형태로 개발하였다.
복합재료의 물성 분포를 확인하기 위해 물성 실험을 수행하였으며, 이를 와이블 분포를 이용하여 통계적으로 분석하였다. 일정 충격 에너지 범위에서 Graphite/epoxy 복합재료 평판의 충격 실험을 수행하였으며, C-scan을 이용하여 충격 손상을 파악하였다. 또한, 복합재료 압력용기의 충격 실험 및 충격 후 잔류 강도 실험을 수행하여 충격에너지에 대한 잔류 강도 변화를 파악하였다. 실험을 통해 충격 하중 하에서 복합재료 평판과 실린더 형 압력용기의 손상 메커니즘을 파악하였다.
ABAQUS/explicit 프로그램과 개발된 손상 모델을 연계하여 평판 및 압력용기의 충격 해석을 수행하였으며, 이를 실험 결과와 비교 검증하였다. 각 모델에 대해서 충격 거동, 충격 손상 및 잔류 강도가 실험 결과를 잘 예측함을 확인하였다.
