This research uses a numerical technique to determine the extent of damage caused by coalescence of multiple newly created cracks in rock-like material and identify the underlying causes and to investigate the ballistic perforation of an impactor through a steel plate and the fragmentation of a steel plate.
Widely distributed in earth’s crust and used in civil construction, rock-like material is heterogeneous, including numerous pre-existing micro-cracks and voids. This causes arbitrarily emerging cracks when subject to external forces including mining, drilling, blast, impact, or earthquake, leading to degrading the mechanical properties of material. Through previous observations, the extension of newly creating cracks is identified to be under the influence of the properties of pre-existing cracks including dimensions (size, depth), orientation, location, loading direction, and arrangements among cracks. Much interested in accurate measurement of the initiation, propagation, interaction and coalescence of cracks under these influences has been paid to many researchers. In particular, stress paths with tension or compression cause various kinds of failure mechanisms along with corresponding fracturing patterns.
In this study is employed a multiscale peridynamic formulation, which is capable of capturing arbitrary emerging crack growths in rock-like materials. It can effectively predict a dynamic fracturing process under no specific criterion because it reformulates the linear momentum by incorporating integro-differential operators. However, when compared with finite element method in which the material points of a body are assumed to be continuous, the nonlocal peridynamics requires much computational resource because of a material point of a body interacting with all points within its range. Therefore, it is coupled with a finite element method and then parallelized through OpenMP (the Open Multi-Processing application programming interface) both for better resolution and for lighter computational resources.
For identifying underlying causes in fracturing patterns, the crack initiation, propagation, branching, and curving under biaxial tension are first investigated by varying loading ratios. Then, the basic crack types, including tensile wing cracks and horsetail cracks, of a single flaw under uniaxial compression are discussed with various flaw inclination angles. In addition, the initiation and propagation of cracks in a pair flaw are evaluated, and then their coalescence patterns are categorized with respect to overlapping ratios between two flaws. Finally, the ballistic perforation of an impactor through a steel plate is investigated for understanding of impact fracture process. The parallel programming of a peridynamic code coupled with finite element method can be used to improve the understanding of actual fracturing process and can serve as a basic for expanded tests.
본 연구에서는 암석재료의 균열성장과 진전 그리고 유착현상과 그 이면의 원인을 파악하고 금속재료의 관통실험과 그에 따른 파편화 과정을 면밀히 연구하고자 수치해석을 사용하였다. 암석재료는 수 많은 미세균열들이 포함되어 있는 이질화된 물질이므로, 지진, 충돌 혹은 외부의 충격에서 쉽게 균열이 발생할 수 있으며, 또한 이미 존재하는 균열의 성장 및 다른 균열과의 유착을 촉발할 수 있다. 따라서 이미 존재하는 균열의 형상과 외부 하중 조건에 따라 균열의 진전현상을 이해하기 위한 연구가 현재 많이 수행되고 있다. 본 연구에서는 갑자기 발생하는 균열의 성장과 유착현상을 연구하기 위해 페리다이나믹스 기법을 이용하였다. 본 수치해석은 편미분을 사용하는 대신 적분화된 운동방정식을 사용하여 균열등과 같은 불연속성을 계산하는데 매우 효과적이다. 또한 기존의 균열성장을 연구하기 위해 사용하는 유한요소기법과는 달리, 균열의 발생을 미리 예측하거나 균열부분에서의 다른 수치해석기법을 사용해야 하는 번거로움이 없는 장점이 있다. 하지만, 페리다이나믹스는 질점 주변의 있는 무수히 많은 다른 질점과의 상호작용하는 힘을 계산하기 때문에 수치해석에 부담을 많이 초래한다. 더욱이 현실적인 전산모사를 하기 위해서는 전산 계산에 상당히 어려움을 가중 시킨다. 그러므로 현실적인 균열현상과 충격에 의한 관통과 그에 따른 파편화 현상을 연구하기 위해, 페리다이나믹스 코드를 병렬처리화 하여 수치해석에 효율성을 극대화 하였다. 본 연구에서 개발된 병렬처리화된 페리다이나믹스 기법은 균열의 성장과 분기 그리고 다른 균열과의 유착관계를 실험결과와 비교했을 때 매우 유사하게 예측하였으며, 금속재료의 관통실험에서도 상당히 유사한 수치해석 결과를 보여주었다. 본 연구에서 개발된 수치해석 기법은 향후 이와 유사한 연구에 매우 효율적으로 사용될 것으로 기대한다.
