멀티 스케일 접근법을 이용한 복합재 압력용기의 수명 예측

Abstract

본 논문은 다축 하중을 받는 복합재 압력용기의 멀티 스케일 피로수명 예측 방법을 제시하였다. 멀티 스케일 접근법은 복합재료의 기본 구성재료인 섬유, 기지 및 섬유/기지 경계면의 거동으로부터 복합재 플라이, 적층판 및 구조물의 전체 거동을 예측한다. 멀티 스케일 피로수명은 거시적 응력 해석과 미시적 피로파손 해석을 통해 예측된다. 유한요소법을 이용하여 복합재 압력용기의 적층판에 가해지는 다축 피로하중을 구하며, 고전적층판이론을 이용하여 적층판의 플라이 응력을 계산하였다. 미소역학 모델을 이용하여 플라이 응력으로부터 각각 섬유, 기지 및 섬유/기지 경계면에 발생되는 응력을 계산하였다. 복합재 구성재료의 피로수명은 섬유에 대해서는 최대응력법을, 기지에 대해서는 등가응력법을, 섬유/기지 경계면에 대해서는 임계평면법을 사용하였다. 평균응력을 고려하기 위하여 수정된 Goodman 식을 적용하였다. 모든 피로하중에 의한 손상은 Miner 법칙을 이용하여 선형 누적이 되고, 이를 통해 최종 피로파손을 판단한다. 섬유와 기지의 물성값, 섬유체적비 및 와인딩 각도의 확률분포에 따른 복합재 압력용기의 피로수명 영향을 분석하기 위해 몬테카르로 시뮬레이션을 수행하였다. A multi-scale fatigue life prediction methodology of composite pressure vessels subjected to multi-axial loading has been proposed in this paper. The multi-scale approach starts from the constituents, fiber, matrix and interface, leading to predict behavior of ply, laminates and eventually the composite structures. The multi-scale fatigue life prediction methodology is composed of two steps: macro stress analysis and micro mechanics of failure based on fatigue analysis. In the macro stress analysis, multi-axial fatigue loading acting at laminate is determined from finite element analysis of composite pressure vessel, and ply stresses are computed using a classical laminate theory. The micro stresses are calculated in each constituent from ply stresses using a micromechanical model. Three methods are employed in predicting fatigue life of each constituent, i.e. a maximum stress method for fiber, an equivalent stress method for multi-axially loaded matrix, and a critical plane method for the interface. A modified Goodman diagram is used to take into account the generic mean stresses. Damages from each loading cycle are accumulated using Miner's rule. Monte Carlo simulation has been performed to predict the overall fatigue life of a composite pressure vessel considering statistical distribution of material properties of each constituent, fiber volume fraction and manufacturing winding angle.