As the number of demands in composite materials grows, the need for automated composite manufacturing processes also increases. Composite braiding technique offers excellent production rate, low manufacturing cost, and high design flexibility, combined with low material waste. Compared to traditional laminated composites, braided composites generally offer better out-of-plane stiffness, strength, and toughness properties. However, due to their rather complex architecture, braided composites bring up another challenge for scientists and engineers, more specifically, in regards to the numerical or analytical characterizations.
Unlike laminated composites, braided composites consist of interlacing yarns, which have undulating profile in mesoscopic scale. To accurately model braided composites, either analytically or numerically, this mesoscopic profile has to be accommodated since it influences the overall effective properties of the braided composites in macroscopic scale. However, it is not a rather simple job, as it often requires a sophisticated modeling procedure and a considerably complicated analytical interpretation. On the other hand, modeling composite laminates is significantly simpler and straightforward using the well-established composite Classical Lamination Theory (CLT). Therefore, a mean to determine the effective properties of braided composites by correlating braided architecture into a corresponding equivalent laminate configuration is studied.
This thesis presents a feasibility study of using Equivalent Laminate Modeling (ELM) approximation to predict the effective elastic, thermoelastic, and piezoelectric properties of braided composites. Here, two braided composite configurations are considered: biaxial and triaxial. An analytical unit cell modeling of braided composites is presented as the reference to investigate the ELM feasibility. As importantly, a technique to practically introduce yarn undulation into ELM using constant undulation angle is proposed. It was found that ELM is able to provide a practical and efficient way to approximate the effective properties of braided composites predicted by considerably more sophisticated methods. It was also discovered that the proposed ELM with undulation effect was able to provide an excellent approximation of unit cell analysis results.
복합 재료에 대한 수요가 증가함에 따라 자동화된 복합재 제조 공정에 대한 요구가 증가하고 있다. 복합재 브레이딩 기술(Composite braiding technique)은 높은 생산률, 저렴한 제작 비용, 그리고 높은 설계 유연성을 제공한다. 브레이드 복합재(Braided composite)는 기존의 적층 복합재(Laminated composite)에 비해 일반적으로 더 우수한 면외 강성(Out-of-plane stiffness), 강도 및 인성을 가진다. 그러나, 복잡한 구조로 인해 브레이드 복합재는 특히 수치적 또는 해석적으로 특징을 정의하기 어려운 측면이 있다.
적층 복합재와는 달리, 브레이드 복합재는 메소-스케일 관점에서 물결치는 형상(Undulating)의 꼬여있는 얀(Yarn)들로 구성된다. 이러한 메소-스케일 형상은 브레이드 복합재의 전반적인 물성에 영향을 미치기 때문에, 브레이드 복합재를 수치적/해석적으로 정확하게 모델링하기 위해서는 이러한 메소-스케일 형상을 고려해야 한다. 하지만 이는 정교한 모델링 절차 및 상당히 복잡한 해석을 필요로 하는 경우가 많기 때문에 간단하지 않다. 반면에, 적층 복합재의 모델링은 기존에 확립된 복합재 적층 이론(Classical Lamination Theory, CLT)을 이용하면 비교적 간단하며 직관적이다. 따라서, 브레이드 구조를 이에 상응하는 등가 적층 구조로 연관시켜 브레이드 복합재의 유효 물성을 결정하는 수단이 연구된다.
본 학위논문은 등가 적층 모델링(Equivalent Laminate Modeling, ELM) 근사법을 이용한 브레이드 복합재의 유효 탄성, 열탄성 계수 및 압전성질 예측에 대한 연구를 제시한다. 본 연구에서는 이축성과 삼축성, 2가지 브레이드 복합재를 고려하였다. ELM의 타당성을 검증하기 위하여, 브레이드 복합재의 해석적 단위 격자 모델링과 비교하였고, 물결치는 얀 형상을 ELM에 도입하기 위한 기법을 제시하였다. 이를 이용하면 상당히 복잡한 방식으로 예측되는 브레이드 복합재의 유효 물성치를 실용적이고 효율적인 방식으로 예측할 수 있음을 확인하였다. 일정한 물결 각도(Undulation angle)를 도입하면 ELM의 결과가 해석적 단위 격자 모델링의 결과와 거의 유사한 정확도를 가지는 것을 확인하였다.
