The fatigue characteristics of glass fiber reinforced plastic (GFRP) composites were studied under repeated loads using the finite element method (FEM). To realize the material characteristics of GFRP composites, Digimat, a mean-field homogenization tool, was employed. Additionally, the micro-structures and material models of GFRP composites were defined with it to predict the fatigue behavior of composites more realistically. Specifically, the fatigue characteristics of polybutylene terephthalate with short fiber fractions of 30wt% were investigated with respect to fiber orientation, stress ratio, and thickness. The injection analysis was conducted using Moldflow software to obtain the information on fiber orientations. It was mapped over FEM concerned with fatigue specimens. LS-DYNA, a typical finite element commercial software, was used in the coupled analysis of Digimat to calculate the stress amplitude of composites. FEMFAT software consisting of various numerical material models was used to predict the fatigue life. The results of coupled analysis of linear and nonlinear material models of Digimat were analyzed to identify the fatigue characteristics of GFRP composites using FEMFAT. Neuber’s rule was applied to the linear material model to analyze the fatigue behavior in LCF regimen. Additionally, to evaluate the morphological and mechanical structure of GFRP composites, the coupled and fatigue analysis were conducted in terms of thickness.

유한요소법(finite element method)은 다양한 분야에서 재료의 역학적 거동을 더욱더 현실적으로 해석하고 예측하는 방법으로 다양한 분야의 제품 개발에 적용되고 있다. 하지만 섬유배향과 변형률 속도가 역학적 특성에 영향을 미치는 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료에 관한 수치해석을 이용한 접근 방법은 현재까지 다소 어려움이 있다. 본 연구의 목적은 고분자, 고무, 금속 등과 같은 다양한 복합재료를 위한 선형, 비선형 다중스케일 재료 모델링 프로그램인 Digimat의 수치해석 재료 모델을 활용하여 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료의 역학적 특성을 정의하고 검증하는 것에 있다. 또한 이를 통해 좀더 현실 적으로 고분자 복합재료의 거동을 예측하고자 한다. 이를 위해 다양한 고분자 중 30wt%의 단섬유 질량 비율을 갖는 폴리부 틸렌 텔레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)의 섬유배향과 변형률 속도에 따른 인장 특성을 참고문헌을 통해 조사하였다. 또한 Moldflow 프로그램을 사용한 사출해석을 통해 유리섬유 배향 정보를 계산하였으며 이를 매핑(mapping) 과 정을 통해 유한요소 인장 시편 모델에 전달하였다. 대표적인 유한요소 상용 프로그램 중 하나인 LS-DYNA는 유리섬유 배향과 변형률 속도에 따른 복합재료의 인장 특성을 연구하기 위해 Digimat과의 연성해석(coupled analysis)에 활용되었다. 그리고 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료를 해석하기 위한 LS-DYNA의 다양한 비등방성(anisotropic) 재료 모델들의 장단점을 서로 비교하고 평가하였다.

A pultruded fiber reinforced polymer plastic (PFRP) structural is one of the most widely used composite member in construction. In generally, PFRP members is composed of plate elements so that it needs to evaluate stability problems when they are used by construction members. On the other hand, creep effect may be occurred in PFRP members under sustained load. Primary to experiment for PFRP creep, previous works are studied. In the previous work related to buckling of PFRP member, it can be calculated buckling strength of PFRP members when it is known that material property of longitudinal and transverse direction of PFRP members. The researches for creep behavior of PFRP has been conducted and time-dependent degradation elastic moduls can be predicted by the empirical equation. In this study, it will be conducted creep test for PFRP and time-dependent stress-strain relationship will be plotted. It is expected that long-term buckling behavior of PFRP is evaluated by theoretical and numerical method such as finite element method.

Rapid industrial development in recent times has increased the demand for light-weight materials with high strength and structural integrity. In this context, carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) composite materials are being extensively used. However, laminated CFRPs develop faults during impact because CFRPs are composed of mixed carbon fiber and epoxy. Moreover, their fracturing behavior is very complicated and difficult to interpret. In this paper, the effect of the direction of lamination in CFRP on the absorbed impact energy and impact strength were evaluated, including symmetric ply (0°/0°, –15°/+15°, –30°/+30°, –45°/+45°, and –90°/+90°) and asymmetric ply (0°/15°, 0°/30°, 0°/45°, and 0°/90°), through drop-weight impact tests. Further, the thermal properties of the specimens were measured using an infrared camera. Correlations between the absorbed impact energy, impact strength, and thermal properties as determined by the drop-weight impact tests were analyzed. These analyses revealed that the absorbed impact energy of the specimens with asymmetric laminated angles was greater than that of the specimens with symmetric laminated angles. In addition, the asymmetry ply absorbed more impact energy than the symmetric ply. Finally, the absorbed impact energy was inversely proportional to the thermal characteristics of the specimens.

장섬유 CF/에폭시 복합재료를 사용하여-50℃에서 60℃ 사이의 범위에서 스팬길이를 변화시켜 충격시험으로 얻어진 임계파괴에너지의 거동을 고찰한 결과는 다음과 같다. 1. CF/에폭시 복합재료의 온도 변화에 따른 임계파괴에너지 GIC는 동일한 스팬길에서는 실온의 경우가 가장 높고, 60℃, -15℃ 그리고 -50℃의 순으로 낮게 나타났다. 2. CF/에폭시 복합재료의 스팬길이의 변화에 대한 임계 파괴에너지 GIC는 동일한 온도조건하에서는 스팬길이가 20mm인 경우가 가장 높게 나타났으나 불안정하며, 스팬길이는 40mm인 경우 임계파괴에너지 GIC는 가장 낮게 나타났으나 실험치의 흩어짐을 고려할 때 40mm인 경우의 시험편이 더 적절한 조건이라 생각된다. 3. 본 실험에 사용한 재료의 파괴기구는 섬유의 풀아웃, 섬유와 매트릭스 사이의 디본딩 그리고 매트릭스의 변형을 관찰할 수 있었으며, 이와 같은 파괴기가구 종합적으로 상호작용한다고 생각된다.

강도가 각각 다른 세 종류의 프리프레그를 사용하여 일방향 CFRP를 적층하였으며, 모드 I과 모드 II 실험을 통하여 층간 파괴인성치를 고찰하였고, 또한 적층 섬유방향을 변화시킨 사교적층판의 그것도 함께 고찰하였으며, 이를 요약하면 다음과 같다. 1) 임계에너지 방출률 G 하(IC)의 값을 컴플라이언스 법, 수정 컴플라이언스 법, 그리고 보이론에 의해 계산하여 비교 검토한 결과 본 연구에서 사용한 수정식에 의한 값들이 거의 일치하였다. 2) G 하(IC) 값은 대체로 프리프레그의 C, B, A재의 순으로 높게 나타났으며, G 하(II C)의 값을 세가지 식에 의해 계산하여 비교 검토한 결과 거의 일치하였다. 3) 사교적층판의 경우 G 하(IC) 값은 [0/90] 하(6s), [0/45] 하(6s), [0/45/90] 하(6s)의 순으로 높게 나타났으며, G 하(II C)는 [0/90] 하(6s), [0/45/90] 하(6s), [0/45] 하(6s)의 순으로 높게 나타났다. 4) 사교적층판과 일방향의 임계에너지 방출률을 비교하였을 때, 모드 I의 경우 일방향의 결과가 다소 높았으며, 모드 II의 경우는 [0/45] 하(6s)의 결과는 거의 일치함을 알 수 있었다.

CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) has high tensile strength, light weight, and excellent corrosion resistance, so it is used for construction such as seismic reinforcement and explosion proof in construction area. Dynamic loads, such as earthquakes and explosions, cause rapid deformation of the material and the material behaves differently from its static condition. Therefore, in this study, tensile tests of CFRP were conducted under static and dynamic loads, and the tensile performance of was evaluated according to the strain rate.