Lattice spring models (LSMs) have been employed to simulate the mechanical behaviors of materials at a small computational cost such as the crack paths of heterogeneous materials and toughening mechanisms of nature-inspired composites. However, previous studies have mainly focused on the infinitesimal deformation range and the applicability of LSMs for the large deformation has not been thoroughly investigated. In the present study, we compare the mechanical properties of two-dimensional triangular and square LSMs (tLSM and sLSM) by systematically studying the nonlinearity and anisotropy of elastic response at finite strain range including the fracture behavior. We show that the mechanical responses of perfect lattices for both LSMs can be exactly predicted analytically. We also investigate the accuracy of the fracture behaviors of pre-cracked specimen under 3-point bending, tensile, and s fracture by varying the orientation of crack with respect to the lattice. Our results on both perfect and pre-cracked lattices indicate that the sLSM has significantly isotropic mechanical properties and is better suited to model isotropic materials. Following this study, a composite structure modeling was performed using a sLSM that can better simulate the mechanical behavior of isotropic materials. In many existing structural composite studies, a lot of analysis has been conducted on the composites which have stiffening/toughening mechanism and defect tolerance to only specific direction. In this study, to solve these problems, the four kinds of composites were constructed. We tried to construct a composite structure with toughening/stiffening mechanism and defects-tolerance in various directions. In this study, to reduce the anisotropy of previous structural composites, a rectangular / hexagonal structure which have aspect ratio of 1 and a penrose tiling which have symmetrical structure were constructed and analyzed. In order to analyze the mechanical behavior of each structure in various directions, the rotated samples are constructed and tension was applied, and the stress distribution, toughness, stiffness fracture strength and strain of each model were compared and analyzed. As a result, a composite material having defect resistance for various crack directions could be presented. As a result, we could present a composite with defect tolerance for the various direction of pre-crack.
격자 스프링 모델은 물질의 파괴, 이기종 재료의 균열 경로, 자연 모사 복합재의 인성 증대 메커니즘 등 다양한 물질의 기계적 거동을 모사하는데 많이 사용되어 왔다. 본 모델은 비교적 적은 계산량으로 다양한 파괴 거동을 나타낼 수 있는 장점을 가진다. 하지만 기존의 연구들은 격자 스프링 모델의 미소 변형 구간에 대해서 집중되었으며, 대변형 구간에서의 기계적 특성에 대한 연구가 미비하였다. 본 연구에서는 이차원에서의 삼각형 사각형 격자 스프링 모델의 대변형 구간과 파괴 거동을 포함한 기계적 거동에 대해 시뮬레이션과 분석식을 이용하여 각 모델의 비등방성과 비선형성에 대해 탐구하였으며, 결함이 없는 격자 스프링 모델의 거동을 분석식을 통하여 정확히 예측될 수 있음을 확인하였다. 또한 격자의 구조를 회전시키며 사전에 균열이 가해져 있는 시편에 대해 삼점 굽힘, 인장과 전단을 이용한 파괴 시뮬레이션을 분석을 진행하여 사각형 모델이 삼각형 모델에 비해 더 정확한 균열 경로의 모사가 가능함을 확인하였다. 이를 바탕으로 사각형 격자 스프링 모델이 삼각형 격자 스프링 모델에 비해 좀 더 정확한 등방성 물질의 탄성과 파괴 거동을 모사할 수 있음을 체계적으로 나타내었다. 앞선 연구를 바탕으로, 사각형 격자 스프링 모델을 이용한 구조 복합재의 모델링과 분석을 진행하였다. 자연에 존재하는 구조 복합재는 높은 인성과 강성을 동시에 가지는 우수한 기계적 특성을 가진다. 기존 연구자들은 이러한 구조 복합재의 우수한 기계적 특성을 반영하여, 복합재의 구조를 모사한 자연 모사 복합재에 대해 많은 연구를 진행하여왔다. 하지만 기존의 구조 복합재는 종횡비가 큰 개재를 특정 방향으로 배열하여 해당 방향으로만 인성/강성 증대 메커니즘을 구성하여, 다른 방향에 대해서는 매우 약한 거동을 가지는 특성을 가진다. 본 연구에서는, 이러한 문제를 해결하고자 다양한 방향에 대해 우수한 기계적 특성을 가지는 복합재 구조를 구성하고자 하였다. 본 연구에서는, 기존 복합재의 이방성을 줄이기 위하여 종횡비가 1인 사각형/육각형 복합재 구조와 특정방향으로 대칭 구조를 가지지 않는 복합재를 구성하여 분석을 진행하였다. 각 구조에 따른 거동을 확인하기 위하여, 기하학 구조를 회전한 샘플을 구성한후 인장을 가하여 각 복합재의 구조에 따른 응력 분포와 각 모델의 파괴 강도, 인성, 강성 및 파단변형률을 비교 분석을 하였다. 이를 통해, 다양한 균열 방향에 대해 우수한 성질을 가지는 복합재 구조를 제시할 수 있었다.
