실험적 측정과 역문제 해석을 결합한 PMMA의 준정적 모드 I 균열 성장에 대한 응집영역법칙의 평가
Estimation of cohesive zone laws for the quasi-static mode I crack growth of PMMA by combining experimental measurements and inverse analyses
- 발행기관 서울과학기술대학교
- 발행년도 2012
- 학위수여년월 2013. 2
- 학위명 석사
- 학과 에너지환경 대학원 에너지시스템공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/snut/000001573187
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 연구에서는 재료의 파괴 과정 중 균열 면에 작용하는 트랙션과 균열 면 사이의 분리변위간의 관계로 정의되며 그 재료의 강도와 인성을 정량화하는 응집영역법칙을 도출하는 역 방법론을 제시하였다. 응집영역모델은 응집영역법칙의 형태를 미리 가정함으로써 계면 박리, 균열 진전 등을 시뮬레이션 하는 데 널리 적용되어왔다. 이러한 이전의 연구들은 전산파괴역학 분야에서 재료의 파괴 거동을 효과적으로 표현하였지만, 미리 정의된 응집영역법칙은 미시적 메커니즘을 포함하는 실제 그 재료의 응집영역법칙과 일치하지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고 균열 선단 근처의 실제 응집영역법칙을 실험적으로 측정하는 것은 높은 분해능과 정확도를 요구하는 매우 작은 영역의 측정이기 때문에 여전히 사소한 문제가 아니게 된다. 그러므로 파괴 과정의 미시적 메커니즘을 이해하기 위해서는 응집영역법칙의 형태를 실험적으로 도출 할 수 있는 효율적인 방법이 필요하다. 본 연구의 목적은 PMMA 재료의 균열 진전 실험을 통해 실제 응집영역법칙을 구하고 도출된 결과를 평가하는 것으로 크게 세 가지 절차로 구성된다. 첫 번째로, 디지털 이미지 코릴레이션(Digital Image Correlation, DIC) 장비를 이용하여 초기 균열을 가진 이중 외팔보 시편의 변위 필드를 측정한다. DIC는 고려하는 영역의 변형 정도를 획득하기 위한 비 접촉, 광학 측정 기술로서 다양한 재료들의 파괴 특성을 결정하는 데에 많이 이용되어 왔다. 그렇지만 DIC를 통해 측정된 변위에는 실험적 오차가 포함되어 있으며 측정 데이터 들의 위치는 응력과 변형률 필드를 구성하기 위한 유한요소모델의 절점들의 위치와 일치 하지 않을 수 있다. 그렇기 때문에 이동최소제곱법(Moving Least Square, MLS)을 이용하여 측정된 변위를 유한요소모델로 근사 하는 과정이 필요하게 된다. 이 후, 실험적으로 측정된 변형장과 균열면을 따라 일정한 트랙션을 부여하여 구성한 수치 보조장과의 상호 J-, M-적분의 보존 성질을 이용한 필드투영기법(Field Projection Method, FPM)을 통해 균열 면에 작용하는 트랙션과 분리변위의 관계를 재구성 한다.
more초록/요약
In this paper, an efficient hybrid procedure combining experimental measurements and an inverse algorithm called the field projection method (FPM) is presented to estimate cohesive zone laws for the quasi-static mode I fracture of PMMA. The procedure is made up of measurement of displacements in a region far away from the crack tip using the digital image correlation technique, its transfer to finite element (FE) nodes from measurement locations using the moving least square approximation, and inverse analyses using numerical auxiliary fields and the conservation nature of the interaction J- and M-integrals. Since it is very difficult to measure the tractions and separations ahead of the crack tip where a highly nonlinear behavior of materials emerges at very small scales, the present method can be very succesful approach to extract the cohesive zone laws from experimentally measured displacements in a far-field region. In particular, the FPM using numerical auxiliary fields facilitates its use for determining the mesh-dependent coheisve zone laws in FE computaions.
more목차
요약 ⅰ
그림목차 ⅱ
기호설명 ⅳ
I. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 목적 1
2. 응집영역모델 4
II. 수치 보조 장을 이용한 필드 투영법 6
1. 실제 변형 장과 보조 장 사이의 상호 적분 6
2. 수치 보조 장의 구성 9
III. 먼 영역에서의 변위 측정 11
1. 디지털 이미지 코릴레이션 11
2. PMMA DCB 시험편 13
3. PMMA의 재료 물성 16
3. 유한요소절점으로의 측정 변위의 전달 18
IV. PMMA의 응집영역법칙 21
1. MLS 근사에서의 영향 영역의 크기 23
2. 응집영역법칙의 격자 종속성 26
3. 균열 진전 시뮬레이션을 위한 응집요소의 구성 28
4. 도출된 응집영역법칙을 이용한 시뮬레이션 34
V. 결 론 36
참고문헌 37
영문초록(Abstract) 39