KR100947176B1 - Fiber bridging analysis method and prediction method for uniaxial tension behavior of fiber reinforced composites based on the fiber bridging analysis - Google Patents

Fiber bridging analysis method and prediction method for uniaxial tension behavior of fiber reinforced composites based on the fiber bridging analysis Download PDF

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충남대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A fiber cross linkage reading method and a method for estimating the tensile performance of a fiber composite using the same are provided to estimate the tensile performance of the fiber composite using a result of the fiber cross linkage. CONSTITUTION: Those are calculated from the matrix mixed fiber that fiber elasticity coefficient, length of fiber, fiber diameter, fiber tensile strength, fiber content, matrix coefficient of elasticity, matrix tensile strength, matrix content, interfacial friction, coefficient of fiber and matrix, chemical adhesion coefficient, slipping stiffness coefficient, snubbing coefficient, strength reduction factor, probability density function about the fabric center location, probability density function about the fiber oriented direction, and fiber number resistivity correction factor(S210). The stress caused in fiber is calculated according to an angle which inclines to a predetermined crack opening displacement or the buried length of fiber(S230). If the strength is same or bigger than the fiber strength, the stress of the corresponding fiber is zero(S250). If the strength is smaller than the fiber strength, the stress is the stress of the corresponding fiber(S260). The stress of each fiber is numerically integrated and the cross linkage stress of the fiber at the crack opening displacement is produced(S270). The opening edge the upper part is provided for the final opening edge and if it is bigger than the opening edge(S280).

Description

섬유 가교 해석방법 및 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법{FIBER BRIDGING ANALYSIS METHOD AND PREDICTION METHOD FOR UNIAXIAL TENSION BEHAVIOR OF FIBER REINFORCED COMPOSITES BASED ON THE FIBER BRIDGING ANALYSIS}FIBER BRIDGING ANALYSIS METHOD AND PREDICTION METHOD FOR UNIAXIAL TENSION BEHAVIOR OF FIBER REINFORCED COMPOSITES BASED ON THE FIBER BRIDGING ANALYSIS}

본 발명은 섬유 가교 해석방법 및 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 섬유복합재료의 균열면에서 섬유가교작용을 해석하고 그 해석 결과를 이용하여 섬유복합재료의 1축 인장 거동을 예측하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fiber crosslinking analysis method and a method for predicting the tensile performance of the fiber composite material by the fiber crosslinking analysis, and more specifically, to analyze the fiber crosslinking action in the crack surface of the fiber composite material and using the analysis results A method for predicting uniaxial tensile behavior of a fiber composite material.

고인성 시멘트 복합재료 중의 하나인 Engineered Cementitious Composite (ECC)는 시멘트 복합체 내에 약 2% 정도의 합성섬유를 혼입하여 2% 이상의 변형률 경화거동을 보이는 재료이다. 이러한 극한 인장 거동은 미세 균열의 섬유 가교 작용과 다중 균열(multiple cracking)에 의해 나타나게 된다. 다중 균열에 의한 변형률 경화 거동을 나타내기 위해서는 두 가지 조건을 만족하여야 하는데, 첫 번째 조건은 강도 조건으로서 섬유 가교 곡선에서 최고 가교 응력이 복합체의 균열 강도보다 커야 한다. 이 조건이 만족되면 첫 번째 균열이 발생한 후 섬유의 뽑힘이나 파 괴에 의한 즉각적인 응력 저하가 발생하지 않게 된다. 두 번째 조건은 에너지 조건으로서 안정상태균열 발생 조건으로서, 에너지 조건이 만족되면 일정한 응력과 개구 변위 하에서 균열이 진전하게 된다. 에너지 조건은 외부에서 한 일, 매트릭스 균열이 진전하는데 필요한 에너지, 그리고 섬유 가교 작용에 의하여 소산된 에너지 사이의 에너지 평형 조건에 의하여 정의된다. 즉, 외부에서 한 일은 매트릭스 파괴 에너지(

Figure 112009062389720-pat00001
)와 섬유 가교 작용에 의하여 소산된 에너지의 합과 같으며, 섬유 가교 곡선에서 상보 에너지(
Figure 112009062389720-pat00002
)는 매트릭스 파괴 인성 보다 커야한다. 다중 균열 발생 현상은 이 두 조건에 의하여 설명될 수 있는데, 균열 가교 작용을 하는 섬유가 하중을 저항할 수 없으면 국부적인 파괴에 의하여 다중 균열 거동이 발생하지 않는다. 이에 반하여 균열 가교 작용을 하는 섬유가 하중을 저항할 수 있으면, 섬유 가교 작용 응력은 섬유와 매트릭스의 계면을 통하여 섬유로부터 매트릭스로 전달된다. 이렇게 유발된 응력은 또 다른 균열을 유발하고 이러한 과정은 섬유 가교 곡선의 연화 거동에 의하여 특정 균열면의 국부적인 파괴가 발생할 때까지 반복된다. Engineered Cementitious Composite (ECC), one of the toughest cement composites, has a strain hardening behavior of more than 2% by incorporating about 2% synthetic fiber into the cement composite. This ultimate tensile behavior is manifested by fiber crosslinking and multiple cracking of microcracks. In order to show the strain hardening behavior due to multiple cracks, two conditions must be satisfied. The first condition is the strength condition, and the highest crosslinking stress in the fiber crosslinking curve must be greater than the crack strength of the composite. If this condition is met, there is no immediate stress drop due to the pulling or breaking of the fiber after the first crack has occurred. The second condition is the energy condition, which is a steady-state cracking condition. If the energy condition is satisfied, the crack develops under constant stress and opening displacement. The energy condition is defined by the energy equilibrium condition between the work done externally, the energy required to propagate the matrix crack, and the energy dissipated by the fiber crosslinking action. In other words, what you did outside of the matrix
Figure 112009062389720-pat00001
) And the energy dissipated by the fiber crosslinking action, and complementary energy (
Figure 112009062389720-pat00002
) Must be greater than the matrix fracture toughness. Multiple cracking phenomena can be explained by these two conditions. If the fiber that is cracking crosslinking cannot withstand the load, local cracking does not cause multiple cracking behavior. In contrast, if the fibrous crosslinking fiber can resist the load, the fiber crosslinking stress is transferred from the fiber to the matrix through the interface between the fiber and the matrix. This induced stress causes another crack and this process is repeated until the local fracture of a particular crack surface occurs by the softening behavior of the fiber crosslinking curve.

전술한 바와 같이 복합체의 인장 거동은 섬유 가교 거동에 의해 결정되기 때문에 ECC를 설계하고 인장 성능을 예측하기 위해서는 섬유 가교 거동을 정확히 예측하거나 평가하여야 한다. 섬유 가교 곡선에 영향을 주는 인자들은 섬유, 매트릭스, 그리고 섬유와 매트릭스의 계면 특성 등이 있다. 섬유의 특성으로는 섬유의 길이, 직경, 탄성계수, 강도, 그리고 함유량이며, 매트릭스의 특성은 강도와 탄성계 수이다. 계면 특성은 화학적 부착, 마찰 부착, 그리고 미끌림 경화 특성이 있다. 이러한 미시역학 변수 이외에 섬유 분포 특성 역시 섬유 가교 작용에 영향을 미친다. As described above, since the tensile behavior of the composite is determined by the fiber crosslinking behavior, it is necessary to accurately predict or evaluate the fiber crosslinking behavior in order to design the ECC and predict the tensile performance. Factors affecting the fiber crosslinking curve include the fiber, the matrix, and the interfacial properties of the fiber and the matrix. The properties of the fiber are the length, diameter, elastic modulus, strength, and content of the fiber, and the properties of the matrix are strength and elastic modulus. Interfacial properties include chemical adhesion, friction adhesion, and slip hardening. In addition to these micromechanical variables, fiber distribution properties also affect fiber crosslinking.

그리고 섬유가 3차원으로 배열되면 1차원으로 배열된 경우에 비하여 최고 섬유 가교 응력은 1/6이나 1/5가 된다. 따라서 섬유 가교 거동을 평가하거나 예측하기 위해서는 섬유의 배향각에 대한 분포를 적절히 가정하여야 한다. 섬유의 배향각은 시편의 형상, 타설 방법, 복합체의 유변 특성 등에 영향을 받는다. 그러나 대부분의 연구자들은 섬유 배향각의 분포를 2차원이나 3차원 배열로 가정한 값을 사용하여 왔다. When the fibers are arranged in three dimensions, the highest fiber crosslinking stress is 1/6 or 1/5 as compared with the case where the fibers are arranged in one dimension. Therefore, in order to evaluate or predict the fiber crosslinking behavior, it is necessary to properly assume the distribution of fiber orientation angles. The orientation angle of the fiber is influenced by the shape of the specimen, the casting method, the rheological properties of the composite, and the like. Most researchers, however, have used values that assume the distribution of fiber orientation angles in two- or three-dimensional arrays.

2차원으로 가정한 섬유 배향각에 대한 확률밀도함수(P(θ))는 2/π를 사용하고, 그 그래프는 도 6의 "PDF2-D"와 같다. 또한 3차원으로 가정한 섬유 배향각에 대한 확률밀도함수(P(θ))는 sin(θ)를 사용하고, 그 그래프는 도 6의 "PDF3-D"와 같다. 이와 같이 2차원 또는 3차원으로 가정한 섬유 배향각에 대한 확률밀도함수는 실제 측정된 섬유 배향각에 대한 그래프(도 6의 "PDFmeas")와 큰 차이를 보임에 따라, 1축 인장 거동에 대한 실험치와 대비하면 현저한 차이를 보이므로(도 10 참조) 섬유 가교 작용을 통한 섬유 복합재료의 인장성능을 예측하는데 상당한 어려움이 있었다.The probability density function P ([theta]) for the fiber orientation angle assumed in two dimensions is 2 / [pi], and the graph is the same as "PDF2-D" in FIG. In addition, the probability density function P (θ) for the fiber orientation angle assumed in three dimensions uses sin (θ), and the graph is the same as “PDF3-D” in FIG. 6. As described above, the probability density function for the fiber orientation angle assumed in two or three dimensions shows a large difference from the graph of the measured fiber orientation angle (“PDFmeas” in FIG. 6). Compared with the experimental value shows a significant difference (see Fig. 10) there was a significant difficulty in predicting the tensile performance of the fiber composite material through the fiber crosslinking action.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 섬유 배향각과 단면에서 계측된 섬유 개수를 고려할 수 있는 섬유 가교 구성 모델을 제시하여 섬유 가교 작용을 보다 정확히 해석할 수 있는 섬유 가교 해석방법 및 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention was devised to improve the above problems, and suggests a fiber crosslinking configuration model that can consider the fiber orientation angle and the number of fibers measured in the cross-section, so that the fiber crosslinking analysis can be more accurately analyzed. It is an object of the present invention to provide a method for predicting the tensile performance of a fiber composite material by a method and a fiber crosslinking analysis.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 섬유 가교 해석방법에 관한 것으로, 섬유와 매트릭스가 혼합된 섬유 복합재료에서 섬유 탄성계수(Ef), 섬유 길이(Lf), 섬유 직경(df), 섬유 인장강도(σfu), 섬유 함유량(Vf), 매트릭스 탄성계수(Em), 매트릭스 인장강도(σm), 매트릭스 함유량(Vm), 매트릭스와 섬유의 계면 마찰계수(τ0), 화학적 부착계수(GD), 미끌림 경화계수(β), 스너빙 계수(f) 및 강도감소계수(f'), 섬유 중심위치에 대한 확률 밀도 함수(P(z)), 섬유 방향성에 대한 확률밀도함수(P(θ)) 및 섬유개수 보정계수(αnf)를 산출하는 단계; 소정 균열 개구변위에 대해 섬유의 매입길이 및 기울어진 각도에 따라 섬유에 유발된 응력을 계산하는 단계; 각 섬유에 유발된 응력이 각도에 따른 섬유 강도 감소 효과를 고려한 섬유 강도와 대비하는 단계; 상기 응력이 상기 섬유강도보다 크거나 같으면 해당 섬유의 응력을 0(zero)로 하고, 상기 섬유강도보다 작으면 상기 응력을 해당 섬유의 응력으로 결정하는 단계; 각 섬유의 응력을 수치 적분하여 상기 균열 개구변위에서의 섬유의 가교 응력을 산출하는 단계; 및 상기 개구변위를 최종 개구변위와 대비하여 상기 개구변위가 최종 개구변위보다 크거나 같으면 해석을 종료하는 단계;를 포함한다.The present invention for achieving the object as described above relates to a fiber crosslinking analysis method, the fiber elastic modulus (E f ), fiber length (L f ), fiber diameter (d f ) in a fiber composite material mixed with fibers and matrix ), Fiber tensile strength (σ fu ), fiber content (V f ), matrix elastic modulus (E m ), matrix tensile strength (σ m ), matrix content (V m ), and interfacial friction coefficient (τ 0) ), Chemical adhesion coefficient (G D ), slip hardening coefficient (β), snubbing coefficient (f) and strength reduction coefficient (f '), probability density function for fiber center position (P (z)), fiber orientation Calculating a probability density function (P (θ)) and a fiber count correction coefficient α nf ; Calculating the stress induced in the fiber according to the embedding length and inclination angle of the fiber for a predetermined crack opening displacement; Comparing the stress induced in each fiber with the fiber strength considering the effect of reducing the fiber strength according to the angle; Determining that the stress of the fiber is zero when the stress is greater than or equal to the fiber strength, and determining the stress as the stress of the fiber when the stress is less than the fiber strength; Numerically integrating the stress of each fiber to calculate the crosslinking stress of the fiber at the crack opening displacement; And ending the analysis when the opening displacement is greater than or equal to the last opening displacement by comparing the opening displacement with the final opening displacement.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법에 관한 것으로, 섬유와 매트릭스가 혼합된 섬유 복합재료로 이루어진 시편에 대한 균열 간격을 산출하여 상기 시편을 n개의 요소로 구분하는 단계; 상기 각 요소에 상기 섬유 복합재료의 강성과 상기 섬유 가교 해석방법으로부터 구한 강성을 부여하는 단계; 상기 시편에 대해 1축 인장 응력을 가하여 소정 변위를 생성하고 상기 변위에 대해 각 요소에 유발된 응력을 상기 섬유 복합재료의 강성을 토대로 계산하는 단계; 상기 각 요소에 유발된 응력과 상기 각 요소의 균열 강도를 대비하는 단계; 상기 각 요소에 유발된 응력이 상기 균열 강도보다 크거나 같으면 해당 요소의 물성을 상기 섬유 복합재료의 강성에서 상기 섬유 가교 해석방법으로부터 구한 강성으로 교체하는 단계; 및 상기 요소에 유발된 응력을 상기 섬유 가교 해석방법으로 구한 최대가교응력과 대비하는 단계;를 포함한다.On the other hand, the present invention for achieving the above object relates to a method for predicting the tensile performance of the fiber composite material by the fiber crosslinking analysis, calculating the crack spacing for the specimen made of a fiber composite material mixed with fibers and matrix Dividing the specimen into n elements; Imparting the stiffness of the fiber composite material and the stiffness obtained from the fiber crosslinking analysis method to each element; Applying a uniaxial tensile stress to the specimen to produce a predetermined displacement and calculating the stress induced in each element against the displacement based on the stiffness of the fiber composite material; Comparing the stress induced in each element with the crack strength of each element; If the stress induced in each element is greater than or equal to the crack strength, replacing the physical properties of the element with the stiffness obtained from the fiber crosslinking analysis method in the stiffness of the fiber composite material; And contrasting the stress induced in the element with the maximum crosslinking stress obtained by the fiber crosslinking analysis method.

본 발명은 섬유복합재료의 설계나 인장 실험을 수행하기 전에 섬유가교작용을 해석한 결과를 이용하여 섬유복합재료의 인장성능을 예측/평가하기 위한 처리 방법에 관한 것으로서 섬유복합재료가 원하는 성능이 나오도록 설계하거나 인장성능을 실험을 통하여 평가하기 어려운 경우 본 발명을 활용할 수 있다.The present invention relates to a treatment method for predicting / evaluating the tensile performance of a fiber composite material using the results of analyzing the fiber crosslinking behavior before designing a fiber composite material or performing a tensile test. If it is designed so that it is difficult to evaluate the tensile performance through the experiment can utilize the present invention.

이하에서는 본 발명에 따른 섬유 가교 해석방법 및 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법의 구체적인 내용에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the specific content of the fiber crosslinking analysis method and the method for predicting the tensile performance of the fiber composite material by the fiber crosslinking analysis according to the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 따른 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법의 흐름도이다. 1 is a flowchart of a method for predicting tensile performance of a fiber composite material by fiber crosslinking analysis according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에서는 섬유 복합재료에서 섬유의 분포 특성을 평가하고(단계 S100), 이를 토대로 섬유 가교 곡선을 평가한 후(단계 S200), 섬유 1축 인장 성능을 평가(단계 S300)하는 순서로 진행된다. 여기서, 섬유의 분포 특성은 한국특허 제0869469호에 자세히 설명되고 있는 화상처리 기법을 활용할 수 있다. As shown, in the present invention, after evaluating the distribution characteristics of the fibers in the fiber composite material (step S100), and based on this evaluation of the fiber crosslinking curve (step S200), to evaluate the fiber uniaxial tensile performance (step S300) Proceed in order. Here, the distribution characteristics of the fiber may utilize an image processing technique described in detail in Korean Patent No. 0869469.

상기 화상처리 기법에 대해 도 2를 참조하여 간략히 설명하면, 먼저, 섬유복합재료에서 시편을 획득한 다음, 형광현미경을 통해 섬유 이미지를 획득한다(단계 S101).The image processing technique will be briefly described with reference to FIG. 2. First, a specimen is obtained from a fiber composite material, and then a fiber image is obtained through a fluorescence microscope (step S101).

그런 다음, 섬유 이미지를 이진화 기법에 의해 검출하고(단계 S102), 검출된 섬유 이미지는 분수령 알고리즘을 적용하여 구분한다(단계 S103). 상기 분수령 알고리즘은 이미지의 밝기 정점 분석을 통하여 섬유 이미지를 구분한다.Then, the fiber image is detected by the binarization technique (step S102), and the detected fiber image is classified by applying a water fountain algorithm (step S103). The water separation algorithm distinguishes fiber images through analysis of brightness peaks of the images.

이와 같은 분수령 알고리즘에 의해, 섬유 이미지의 밝기 정점 개수가 1이면(단계 S104) 단유형을 분류하고(단계 S105), 밝기 정점 개수가 2 이상이면 복유형으로 분류한다(단계 S106).By such a watershed algorithm, if the number of brightness vertices of the fiber image is 1 (step S104), the single type is classified (step S105). If the number of brightness vertices is 2 or more, it is classified as a complex type (step S106).

상기 복유형은 유형분류기를 통해 재분류된다(단계 S107). 즉, 유형분류기에 의해 복유형은 제1유형(단계 S108), 제2유형(단계 S109), 제3유형(단계 S110) 및 제4유형(단계 S112)으로 분류된다(도 3 참조).The categorical type is reclassified through a type classifier (step S107). That is, the classification type is classified into a first type (step S108), a second type (step S109), a third type (step S110), and a fourth type (step S112) by the type classifier (see Fig. 3).

이때, 상기 유형분류기로는 인공신경회로망을 사용하고, 인공신경회로망은 추출된 특징값의 데이터베이스를 학습함으로써 구축된다. 이러한 특징값은 회전, 이동, 크기 변화, 밝기 변화를 포함하는 변환에 불변성을 갖는 형상 기술자이다.In this case, an artificial neural network is used as the type classifier, and the artificial neural network is constructed by learning a database of extracted feature values. These feature values are shape descriptors that are invariant to the transformation, including rotation, movement, size change, and brightness change.

한편, 제3유형으로 분류된 섬유 이미지는 분수형 알고리즘이 적용되어 재구분된다(단계 S111).On the other hand, the fiber image classified into the third type is reclassified by applying a fractional algorithm (step S111).

그리고, 제4유형으로 분류된 섬유 이미지는 형태학적 재구성 기법(단계 S113) 및 분수령 알고리즘(단계 S114)이 순차적으로 적용되어 재구분된다. 이때, 형태학적 재구성 기법은 섬유 이미지에서 정점의 밝기값에 대한 최고 및 최소가 제거되어, 분수령 알고리즘 실행 과정에서 섬유 이미지가 과도 분할되는 것을 방지한다.The fiber images classified into the fourth type are reclassified by applying morphological reconstruction techniques (step S113) and watershed algorithms (step S114) sequentially. At this time, the morphological reconstruction technique removes the maximum and minimum values of the brightness values of the vertices in the fiber image, thereby preventing the fiber image from being excessively divided during the execution of the watershed algorithm.

이상과 같은 화상처리 기법을 통하여, 섬유 이미지를 재분류하여 섬유 복합재료의 섬유 분포 특성에 대한 계측과 평가를 가능하게 할 수 있다.Through the image processing technique as described above, it is possible to reclassify the fiber image to enable measurement and evaluation of the fiber distribution characteristics of the fiber composite material.

다음으로 복합재료에 균열이 발생하였을 경우에 균열면에서 나타나게 되는 역학적인 거동을 설명할 수 있는 섬유 가교 곡선을 평가하게 된다. 도 4는 섬유 가 교 곡선을 평가하기 위한 흐름도를 나타낸다. Next, we evaluate the fiber crosslinking curves which can explain the dynamic behavior of cracks in composite materials. 4 shows a flow chart for evaluating fiber crosslinking curves.

섬유 가교 곡선을 평가하기 위해서는 평가에 필요한 변수들을 입력하여야 한다. 먼저 섬유와 관련된 변수들로는 섬유탄성계수(Ef), 섬유 길이(Lf), 섬유 직경(df), 섬유 인장강도(σfu), 섬유 함유량(Vf: 부피비) 등이 있다. 여기서 섬유 함유량을 제외하고 섬유와 관련된 특성값들은 제품에 따라 정해진 값을 사용하여 입력할 수 있으며, 섬유 함유량은 배합 조건에 따라 정해지는 값이기 때문에 배합에서 정해진 값을 입력값으로 한다. In order to evaluate the fiber crosslinking curves, the parameters necessary for the evaluation must be entered. Firstly, the parameters related to fibers include the fiber elastic modulus (E f ), the fiber length (L f ), the fiber diameter (d f ), the fiber tensile strength (σ fu ), and the fiber content (V f : volume ratio). Here, except for the fiber content, the characteristic values related to the fiber may be input using a value determined according to the product. Since the fiber content is a value determined according to the blending conditions, the value determined in the blending is used as an input value.

매트릭스와 관련된 변수들로는 매트릭스 탄성계수(Em), 매트릭스 인장강도(σm), 매트릭스 함유량(Vm: 부피비) 등이 있다. 매트릭스의 탄성계수와 인장강도는 KS 규격에 따라 시험을 통하여 결정하고, 매트릭스 함유량은 섬유와 같이 배합에 따라 정해진 값을 사용한다. Variables related to the matrix include matrix elastic modulus (E m ), matrix tensile strength (σ m ), and matrix content (V m : volume ratio). The elastic modulus and tensile strength of the matrix are determined by testing according to the KS standard, and the matrix content is determined according to the compounding as the fiber.

매트릭스와 섬유의 계면 특성으로는, 계면 마찰계수(τ0), 화학적 부착계수(GD), 미끌림 경화 계수(β), 섬유의 기울어진 각도에 따라 저항력이 증가하는 효과를 반영하기 위한 스너빙 계수(f), 섬유의 기울어진 각도에 따라 섬유의 강도가 감소하는 효과를 반영하기 위한 강도감소계수(f') 등이 있다. The interfacial properties of the matrix and the fiber include snubbing to reflect the effect of increasing the resistive force according to the interfacial friction coefficient (τ 0 ), the chemical adhesion coefficient (G D ), the slip hardening coefficient (β), and the inclination angle of the fiber. Coefficient f, strength reduction coefficient f 'for reflecting the effect of reducing the strength of the fiber according to the inclination angle of the fiber, and the like.

여기서 마찰계수, 화학적 부착, 미끌림 경화 계수는, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 단일 섬유의 인발 실험을 통하여 구할 수 있다. 스너빙 계수(f)는 0.2~0.8 사이의 값을 갖는 것으로 실험적으로 나타났으며, 강도감 소계수(f')의 경우 섬유-매트릭스 시스템에서는 0.3의 값으로 나타났다. Here, the coefficient of friction, chemical adhesion, slip hardening coefficient can be obtained through the drawing experiment of a single fiber well known to those skilled in the art. The snubing coefficient (f) was experimentally found to have a value between 0.2 and 0.8, and the strength reduction factor (f ') was found to be 0.3 in the fiber-matrix system.

섬유의 분포 특성에 대한 입력값은 섬유 중심 위치에 대한 확률 밀도 함수(P(z)), 섬유 방향성에 대한 확률밀도 함수(P(θ)), 섬유 개수 보정계수(αnf) 등이 있다. 섬유 중심 위치에 대한 확률 밀도 함수(P(z))는 2/Lf이며, 섬유 방향성에 대한 확률밀도 함수(P(θ))는 한국특허 제869469호 공보에 기재된 이미지 프로세싱 기법을 이용하여 단면에서 모든 각 섬유의 형상을 분석하여 방향을 계산하여 구할 수 있는데, 보다 상세히는 다음의 [수학식 1]을 통하여 구할 수 있다.Input values for the distribution characteristics of the fibers include a probability density function P (z) for the fiber center position, a probability density function P (θ) for the fiber orientation, and a fiber number correction coefficient α nf . The probability density function (P (z)) for the fiber center position is 2 / L f , and the probability density function (P (θ)) for the fiber orientation is obtained by using the image processing technique described in Korean Patent No. 869469. In the analysis of the shape of each fiber can be obtained by calculating the direction, in more detail can be obtained through the following [Equation 1].

Figure 112009062389720-pat00003
Figure 112009062389720-pat00003

여기서 p와 q는 확률밀도함수의 형태를 결정하는 변수로서 이미지 분석을 통하여 자동으로 결정되는데, 0.5보다는 커야한다는 조건을 갖고 있다. 보다 상세히 설명하면, 시편의 단면에 대해 이미지 분석을 통해 얻어지는 섬유 방향성에 대한 그래프(도 6에서 "PDFmeas"에 해당함)를 상기와 같은 싸인(sin)과 코싸인(cos)의 함수로 회귀분석할 수 있는데, 이러한 회귀분석을 통하여 p와 q값을 결정함으로써 도 6에서 "PDFfit"와 같은 형태의 확률밀도함수를 얻을 수 있게 된다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 섬유의 방향성을 나타내는 θ는 0°~ 90°의 범위(라디안(radian)으로는 0~1.57)에 있게 되므로, θmin은 0°이고, θmax는 90°로 된다.Here, p and q are variables that determine the shape of the probability density function, and are automatically determined through image analysis. In more detail, the graph of the fiber orientation obtained through image analysis for the cross section of the specimen (corresponding to “PDFmeas” in FIG. 6) can be regressed as a function of sin and cosine as described above. By determining the p and q values through this regression analysis, a probability density function of the form “PDFfit” in FIG. 6 can be obtained. And, as shown in Figure 5, the θ representing the orientation of the fiber is in the range of 0 ° ~ 90 ° (0 ~ 1.57 in radians), θ min is 0 °, θ max is 90 ° It becomes

또한 섬유 개수 보정계수(αnf)는 다음의 [수학식 2]를 통하여 구할 수 있다.In addition, the fiber number correction coefficient α nf can be obtained through Equation 2 below.

Figure 112009062389720-pat00004
Figure 112009062389720-pat00004

이러한 [수학식 2]의 섬유 개수 보정계수(αnf)는 다음의 [수학식 3]에 의해 유도된다.The fiber number correction coefficient α nf of Equation 2 is derived by Equation 3 below.

Figure 112009062389720-pat00005
Figure 112009062389720-pat00005

여기서, Nm은 이미지 프로세싱 기법을 사용하여 계측한 섬유 개수이고, Am은 측정한 단면적이다(단계 S210).Where N m is the number of fibers measured using an image processing technique and A m is the measured cross-sectional area (step S210).

입력값이 결정되면 균열 개구 변위(δ)를 가정하고(단계 S220), 도 5에 도시된 바와 같이, 균열 개구변위에 대하여 각 매입길이(Le)와 섬유의 기울어진 각도(θ)에 따라 섬유에 유발된 응력(σf(θ))을 다음의 [수학식 4]로 계산한다. 만일 균열 개구변위가 [수학식 5]보다 클 경우에는 유발된 응력은 [수학식 6]에 따라 계 산한다(단계 S230).When the input value is determined, a crack opening displacement δ is assumed (step S220), and as shown in FIG. 5, according to each embedding length L e and the angle of inclination θ of the fiber with respect to the crack opening displacement. The stress (σ f (θ)) induced in the fiber is calculated by the following Equation 4. If the crack opening displacement is larger than [Equation 5], the induced stress is calculated according to [Equation 6] (step S230).

Figure 112009062389720-pat00006
Figure 112009062389720-pat00006

Figure 112009062389720-pat00007
Figure 112009062389720-pat00007

Figure 112009062389720-pat00008
Figure 112009062389720-pat00008

단계 S230에서 계산된 섬유에 유발된 응력을 토대로 해당 섬유가 파단되었는지 여부를 판단한다(단계 S240). 이때 섬유에 유발된 응력이 각도에 따른 섬유 강도 감소 효과를 고려한 섬유 강도(σfue- f' θ) 보다 크거나 같으면 섬유의 파괴로 인하여 섬유가 저항할 수 있는 하중은 0(zero)가 된다(단계 S250). 또한 섬유에 유발된 응력이 섬유 강도(σfue- f' θ)보다 작으면 섬유가 저항할 수 있는 하중은 현재 섬유에 유발된 응력으로 계산한다(단계 S260).It is determined whether the fiber is broken based on the stress induced in the fiber calculated in step S230 (step S240). At this time, if the stress induced on the fiber is greater than or equal to the fiber strength (σ fu e - f ' θ ) considering the effect of decreasing the fiber strength depending on the angle, the load that the fiber can resist due to the fiber breakage becomes zero. (Step S250). In addition, if the stress induced on the fiber is smaller than the fiber strength (σ fu e - f ' θ ), the load the fiber can resist is calculated as the stress induced on the current fiber (step S260).

이와 같이 현재의 균열 개구 변위(δ)에 대한 각 섬유의 응력을 계산하면, 이를 균열 단면에서의 섬유 가교 응력을 계산하기 위하여 [수학식 7] 또는 [수학식 8]에 따라 수치 적분을 실시한다.Thus, when the stress of each fiber with respect to the current crack opening displacement (δ) is calculated, numerical integration is performed according to [Equation 7] or [Equation 8] to calculate the fiber crosslinking stress at the crack cross section. .

여기서, [수학식 8]은 [수학식 7]에서 임의의 길이를 갖는 섬유에 대해서도 적용하기 위하여 모든 길이를 Lf/2로 나누어 줌으로써 산출된 식이다(단계 S270).[Equation 8] is an equation calculated by dividing all lengths by L f / 2 so as to apply to fibers having an arbitrary length in Equation 7 (step S270).

Figure 112009062389720-pat00009
Figure 112009062389720-pat00009

Figure 112009062389720-pat00010
Figure 112009062389720-pat00010

이러한 과정은 가정한 섬유 개구 변위(δ)가 마지막 균열 개구 변위(δfinal)에 이를 때까지 지속된다. 즉, 상기 섬유 개구 변위(δ)를 마지막 균열 개구 변위(δfinal)와 대비하여(단계 S280), 마지막 균열 개구 변위(δfinal)보다 작으면 소정의 균열 변위(δ+△δ)를 증가시켜(단계 S290) 단계 S220부터 다시 수행한다. This process continues until the assumed fiber opening displacement δ reaches the last crack opening displacement δ final . That is, the fiber opening displacement δ is compared with the last crack opening displacement δ final (step S280), and if the fiber opening displacement δ is smaller than the last crack opening displacement δ final , the predetermined crack displacement δ + Δδ is increased. (Step S290) The process is performed again from step S220.

여기서 마지막 개구변위(δfinal)의 최대값은 섬유길이의 절반(Lf/2)과 같다. 이는 개구변위가 섬유길이의 절반(Lf/2)보다 크게 되면, 균열면에서 섬유가 모두 뽑히거나 파단된 상태이기 때문에 섬유가교응력은 0이 되기 때문이다.Here, the maximum value of the final aperture displacement (δ final ) is equal to half the fiber length (L f / 2). This is because when the opening displacement is greater than half of the fiber length (L f / 2), the fiber crosslinking stress becomes zero because all the fibers are pulled out or broken at the crack surface.

이상과 같이 섬유 배향각의 분포와 섬유 개수를 고려하여 계산된 섬유 가교 곡선이 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 이때 두 시험체인 wc60과 wc48의 배합비는 다음 [표 1]과 같다.The fiber crosslinking curves calculated in consideration of the distribution of the fiber orientation angle and the number of fibers as described above are illustrated in FIGS. 7 and 8. At this time, the mixing ratio of the two test chains wc60 and wc48 is shown in Table 1 below.

시멘트cement water 모래sand 슬래그Slag HRWHRW HPMCHPMC VV ff (%)(%) wc60wc60 1.01.0 0.600.60 0.80.8 0.250.25 00 0.0010.001 2 2 wc48wc48 1.01.0 0.480.48 0.80.8 0.250.25 0.020.02 00

여기서, HRW는 High-range water-reducing admixture이고, HPMC는 Hydroxypropylmethyl-cellulose이다. 그리고 섬유를 제외한 다른 구성요소는 시멘트에 대한 중량비를 나타낸다.Here, HRW is a high-range water-reducing admixture, HPMC is Hydroxypropylmethyl-cellulose. And other components except fibers represent weight ratios for cement.

그리고 두 시험체에 대한 입력값은 다음 [표 2]와 같다.The input values for the two specimens are shown in [Table 2].

입력값Input value wc60wc60 wc48wc48 섬유(fiber( fiberfiber )) 섬유 길이 Lf (㎜)Fiber length L f (Mm) 1212 섬유 직경 df(㎜)Fiber diameter d f (mm) 0.0400.040 섬유 탄성계수 Ef(㎬)Modulus of fiber E f (㎬) 4040 섬유 인장강도 σfu(㎫)Fiber Tensile Strength σ fu (MPa) 16001600 섬유 함유량 Vf(%)Fiber content V f (%) 22 매트릭스(matrix( matrixmatrix )) 매트릭스 탄성계수 Em(㎬)Matrix modulus of elasticity E m (㎬) 18.4 26.2 18.4 26.2 매트릭스 인장강도 σm(㎫)Matrix Tensile Strength σ m (MPa) 3.54 4.70  3.54 4.70 매트릭스와 섬유의 계면특성Interfacial Characteristics of Matrix and Fiber 계면 마찰계수 τ0(㎫)Interfacial friction coefficient τ 0 (MPa) 1.65 1.85  1.65 1.85 화학적 마찰계수 GD(J/㎡)Chemical Friction Coefficient G D (J / ㎡) 1.88 1.83  1.88 1.83 미끌림 경화계수 βSlip Hardening Factor β 0.104 0.129  0.104 0.129 스너빙 계수 fSnubbing coefficient f 0.300.30 강도감소계수 f'Strength reduction factor f ' 0.30.3

이와 같은 두 시험체에 대해 이미지 프로세싱 기법을 이용하여 계측한 섬유 배향각의 확률밀도함수(도 6에서 "PDFfit")를 바탕으로 평가한 섬유 가교 곡선은 2차원으로 가정하여 구한 섬유 배향각의 확률밀도함수(도 6에서 "PDF2-D")를 바탕으로 이론적으로 산출한 섬유 가교 곡선과 전반적으로 유사한 거동을 나타내었다(도 7의 (a) 및 도 8의 (a)). 그러나 최대 가교 응력 부근까지의 초기 거동을 살펴보면, 이미지 프로세싱 기법을 이용하여 평가한 섬유 가교 곡선의 최대 가교 응력에 해당하는 균열 개구변위는 섬유 배향각을 2차원으로 가정하여 구한 것보다 크게 평가되었다(도 7의 (b) 및 도 8의 (b)). The probability density function of the fiber orientation angle obtained by assuming two-dimensional fiber crosslinking curve evaluated based on the probability density function of the fiber orientation angle measured by the image processing technique ("PDFfit" in FIG. 6) for the two specimens. Overall behavior similar to the fiber crosslinking curve calculated theoretically based on the function (“PDF2-D” in FIG. 6) was shown (FIG. 7A and FIG. 8A). However, in the initial behavior up to the maximum crosslinking stress, the crack opening displacement corresponding to the maximum crosslinking stress of the fiber crosslinking curve evaluated by the image processing technique was evaluated to be larger than that obtained by assuming two-dimensional fiber orientation angles. 7 (b) and 8 (b)).

최대 가교 응력에 해당하는 균열 개구 변위의 차이는 섬유 가교 곡선에서 상보 에너지(

Figure 112009062389720-pat00011
)의 크기를 결정하는 중요한 값이므로 인장 변형 성능을 예측하는데 결정적 요인이 된다. Kanda 등(2000년, Tensile Stress-Strain Modeling of Pseudo Strain-Hardening Cementitious Composites, Journal Materials in Civil Engineering, 12(2), pp.147-156.)은 균열 강도와 섬유 가교 곡선의 최고 섬유 가교 응력과 그때에 균열 개구변위를 이용하여 ECC의 인장응력과 변형률 관계를 간단하게 예측하는 이론적 방법을 제안한 바 있다. 따라서 본 발명에서는 이미지 분석을 바탕으로 보다 정확한 섬유의 배향각의 분포와 섬유 개수를 고려함으로써 ECC의 인장 응력과 변형률 관계를 보다 정확히 예측할 수 있게 된다.The difference in crack opening displacement corresponding to the maximum crosslinking stress is the complementary energy (
Figure 112009062389720-pat00011
This is an important value for determining the size of) and is a critical factor in predicting tensile strain performance. Kanda et al. (10, Tensile Stress-Strain Modeling of Pseudo Strain-Hardening Cementitious Composites, Journal Materials in Civil Engineering, 12 (2), pp.147-156.) At the time, a theoretical method was proposed to simply predict the relationship between tensile stress and strain of ECC using crack opening displacement. Therefore, in the present invention, it is possible to more accurately predict the tensile stress and strain relationship of the ECC by considering the more accurate distribution of fiber orientation angles and the number of fibers based on image analysis.

이상과 같이 산출된 섬유 가교 곡선을 이용하여 도 9에 도시된 바와 같이, 섬유의 1축 인장 성능을 평가한다. 이때 ECC에 사용되는 매트릭스 및 균열면 거동은 실제 비선형성을 보이기 때문에 정확한 거동을 모사하기 위해서는 비선형을 고려하여 해석하는 것이 바람직하나, ECC에 사용하는 매트릭스는 미세한 규사로 제조되는 모르타르이므로 일반 콘크리트에 비하여 선형 탄성에 가까운 거동을 하고, 1축 인장 거동을 모사하는데 균열면 거동의 비선형성은 해석 결과에 미치는 영향이 크지 않기 때문에 본 실시예에서는 매트릭스와 균열면 거동이 선형 탄성 거동을 한다고 가정하였다. 또한 재료의 불확실성을 고려하기 위하여 각 요소의 물성은 95% 신뢰 구간을 갖는 정규 분포 내에서 임의로 선정되도록 하였다.As shown in FIG. 9, the uniaxial tensile performance of a fiber is evaluated using the fiber crosslinking curve computed as mentioned above. At this time, since the matrix and crack surface behavior used for ECC show actual nonlinearity, it is preferable to analyze it in consideration of nonlinearity in order to simulate accurate behavior.However, the matrix used for ECC is mortar made of fine silica sand, Since the nonlinearity of the cracked surface behavior does not have a significant effect on the analysis result, the matrix and the cracked surface behavior are assumed to be linear elastic behavior. In addition, in order to consider the uncertainty of the material, the physical properties of each element were randomly selected within a normal distribution with a 95% confidence interval.

섬유 1축 인장 성능 예측 또는 평가를 위해서는 전술한 바와 같이 균열이 발생한 후 균열면에서 섬유 가교 곡선과 균열 간격이 필요하다. 이때 섬유 가교 곡선은 상술한 방식으로 산출하고, 균열 간격은 섬유의 방향성과 섬유 개수를 고려하여 [수학식 9]에 의해 산출한다. In order to predict or evaluate the fiber uniaxial tensile performance, as described above, the fiber crosslinking curve and the crack spacing are required at the crack surface after the crack has occurred. At this time, the fiber crosslinking curve is calculated in the manner described above, and the crack spacing is calculated by [Equation 9] in consideration of the orientation of the fibers and the number of fibers.

Figure 112009062389720-pat00012
Figure 112009062389720-pat00012

여기서

Figure 112009062389720-pat00013
이고, here
Figure 112009062389720-pat00013
ego,

Figure 112009062389720-pat00014
: orientation coefficient
Figure 112009062389720-pat00015
,
Figure 112009062389720-pat00014
: orientation coefficient
Figure 112009062389720-pat00015
,

Figure 112009062389720-pat00016
: orientation coefficient for frictional force
Figure 112009062389720-pat00016
: orientation coefficient for frictional force

Figure 112009062389720-pat00017
,
Figure 112009062389720-pat00017
,

Figure 112009062389720-pat00018
: orientation coefficient for pulley force
Figure 112009062389720-pat00018
: orientation coefficient for pulley force

Figure 112009062389720-pat00019
,
Figure 112009062389720-pat00019
,

Figure 112009062389720-pat00020
: probability density function for fiber orientation(섬유 방향성에 대한 확률밀도 함수),
Figure 112009062389720-pat00020
probability density function for fiber orientation,

Figure 112009062389720-pat00021
: fiber number coefficient(섬유 개수 보정계수),
Figure 112009062389720-pat00021
: fiber number coefficient,

Figure 112009062389720-pat00022
: correction factor for snubbing effect 로서 0.8의 값을 사용할 수 있다.
Figure 112009062389720-pat00022
A value of 0.8 can be used as a correction factor for snubbing effect.

[수학식 9]에 의해 시편에서 유발될 균열 간격을 계산하면, 이를 통해 예측하고자 하는 시편 형상에 대하여 n개의 요소로 분할하고 요소의 각단을 순차적으로 n+1노드로 부여하며(단계 S310), 각 요소에 물성을 부여한다. 물성은 강성(K)으로서 섬유 복합재료의 강성(Kci)과 균열 발생 후 섬유 가교 곡선으로부터 구한 강성(Kfi)을 부여한다(단계 S320). 이때 섬유 복합재료의 강성은 다수의 시편에 대해 산출된 응력과 균열간격에 대한 최대값과 최소값 사이의 임의의 값을 해당 요소의 응력과 균열간격으로 랜덤하게 선택하고, 선택된 응력과 균열간격의 그래프에서의 기울기값으로 결정한다(σci-δ).By calculating the crack spacing to be induced in the specimen by the equation (9), it is divided into n elements for the specimen shape to be predicted through this, and each end of the element is sequentially given to n + 1 node (step S310), Gives each element its properties. The physical properties impart the stiffness (K) as the stiffness (K ci ) and the stiffness (K fi ) obtained from the fiber crosslinking curve after cracking occurs (step S320). At this time, the stiffness of the fiber composite is randomly selected between the maximum value and the minimum value for the stress and crack spacing calculated for a plurality of specimens as the stress and crack spacing of the corresponding element, and a graph of the selected stress and crack spacing. Determined by the slope value at (σ ci -δ).

또한 섬유 가교 곡선으로부터 구한 강성도 다수의 시편에 대해 산출된 최고 가교 응력과 균열간격에 대한 최대값과 최소값 사이의 임의의 값을 해당 요소의 섬유 가교 응력과 균열간격으로 랜덤하게 선택하고, 선택된 섬유 가교 응력과 균열간격의 그래프에서의 기울기값으로 결정한다(σBi-δ).In addition, the stiffness obtained from the fiber crosslinking curve is randomly selected between the maximum and minimum values for the highest crosslinking stress and crack spacing calculated for a plurality of specimens as the fiber crosslinking stress and crack spacing of the corresponding element, and the selected fiber crosslinking Determined by the slope value in the graph of stress and crack spacing (σ Bi −δ).

각 요소에 물성이 부여되면, 변위(δ)를 가정하여(단계 S330) 해당 변위에 대하여 유발된 응력(σidi)을 계산한다(단계 S340). 이때 계산된 응력(σidi)은 이후 유한요소해석에 의한 계산방법에 따라 계산되는데, 이를 보다 상세히 설명하면 다 음과 같다.If physical properties are given to each element, the displacement δ is assumed (step S330) and the stress (σ idi ) induced for the displacement is calculated (step S340). The calculated stress (σ idi ) is then calculated according to the calculation method by finite element analysis, which will be described in more detail as follows.

유발된 응력(σidi)을 균열 강도(σm)와 비교하여(단계 S350) 균열 강도(σm)보다 작으면 변위를 증가시켜(단계 S360) 유발된 응력을 다시 계산하고, 균열강도보다 크게 되면 물성을 섬유 가교 곡선으로부터 구한 물성으로 교체한다(단계 S370). 이때 균열 강도(σm)는 실험으로부터 구해진 값을 사용할 수 있는데, 해당 요소의 응력과 변위와의 관계에서 균열 발생 시점에 해당하는 최대 응력의 값을 사용할 수 있다.Compare the induced stress (σ idi ) with the crack strength (σ m ) (step S350) and if it is less than the crack strength (σ m ), increase the displacement (step S360) to recalculate the induced stress and make it larger than the crack strength. When the physical properties are replaced with the physical properties obtained from the fiber crosslinking curve (step S370). In this case, the crack strength (σ m ) may be a value obtained from an experiment, and the maximum stress value corresponding to the point of crack occurrence may be used in relation to the stress and displacement of the element.

유발된 응력(σidi)을 최대 가교 응력(σB, peak)과 비교하여(단계 S380) 최대 가교응력보다 작으면 변위를 증가시켜(단계 S360) 유발된 응력을 계산하고 최대 가교 응력보다 크거나 같으면 해석을 종료한다. 이때 최대 가교 응력은 해당 요소의 섬유 가교 응력과 변위와의 관계에서 구해지는 값을 사용할 수 있다. Comparing the induced stress (σ idi ) with the maximum crosslinking stress (σ B, peak ) (step S380), if it is less than the maximum crosslinking stress, increase the displacement (step S360) to calculate the induced stress and If it is the same, the analysis ends. At this time, the maximum crosslinking stress may be a value obtained from the relationship between the fiber crosslinking stress and the displacement of the element.

도 10은 1축 인장 거동의 수치해석에 의한 모사 결과와 실험 결과를 비교한 것이다. 해석 결과는 실험 결과와 유사하게 다중 균열과 변형률 경화 거동을 보이고 있다. wc60와 wc48 실험체 모두 해석 결과가 실험 결과에 비하여 최대 인장 변형률이 약 10% 정도 더 작게 나타났다. 이러한 결과는 슬래그를 넣을 경우 섬유 분산성이 더 좋아진다는 기존 실험 결과로 설명할 수 있으며, 섬유 분산성을 해석 과정에서 정량적으로 고려할 경우 보다 정확히 1축 인장 거동을 모사할 수 있을 것으로 판단된다. 10 compares simulation results and experimental results by numerical analysis of uniaxial tensile behavior. The analytical results show multiple cracks and strain hardening behavior similar to the experimental results. In both wc60 and wc48 specimens, the analytical results showed that the maximum tensile strain was about 10% smaller than the experimental results. These results can be explained by the existing experimental results that the better the fiber dispersibility when the slag is added, it can be more accurately simulate the uniaxial tensile behavior when considering the fiber dispersibility quantitatively in the analysis process.

섬유의 방향성을 2차원이나 3차원으로 가정한 경우 섬유 가교 곡선에서 최고 섬유 가교 응력이나 이에 해당하는 균열 개구 변위가 제안한 섬유 가교 모델에 비하여 작게 계산되었다. 즉, 도 10에 도시된 바와 같이 섬유의 방향성을 2차원으로 가정한 경우 최대 인장 변형률은 실험 결과에 비하여 약 50% 정도 작게 나타났으며, 3차원으로 가정한 경우 최대 인장 변형률은 실험 결과에 비하여 약 10% 이하로 나타났다. 따라서 해석 결과와 실험 결과의 비교를 통하여 본 발명에서 제안한 모델, 즉 보강섬유의 배향각에 대한 확률밀도함수를 고려한 시멘트 복합체 내의 섬유 가교 모델을 이용하면, 섬유의 방향성을 2차원이나 3차원으로 가정한 경우에 비하여 섬유보강 시멘트 복합체의 1축 인장 거동을 보다 정확히 모사할 수 있다.If the orientation of the fibers is assumed to be two-dimensional or three-dimensional, the maximum fiber crosslinking stress and corresponding crack opening displacement in the fiber crosslinking curve are smaller than the proposed fiber crosslinking model. That is, as shown in FIG. 10, the maximum tensile strain was about 50% smaller than the experimental result when the direction of the fiber was assumed to be two-dimensional, and when the three-dimensional assumption was assumed, the maximum tensile strain was compared with the experimental result. About 10% or less. Therefore, when comparing the analysis results and the experimental results, using the model proposed in the present invention, that is, the fiber crosslinking model in the cement composite considering the probability density function of the orientation angle of the reinforcing fibers, the direction of the fibers is assumed to be two-dimensional or three-dimensional. Compared to one case, the uniaxial tensile behavior of the fiber reinforced cement composite can be more accurately simulated.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above, but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various modifications and adaptations within the scope of the claims. It is self-evident.

도 1은 본 발명에 따른 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법의 흐름도,1 is a flow chart of a method for predicting tensile performance of a fiber composite material by fiber crosslinking analysis according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 섬유분포특성을 평가하는 방법에 대한 흐름도,2 is a flow chart for a method for evaluating fiber distribution characteristics according to the present invention;

도 3은 도 2에 따라 분류된 섬유의 유형을 도시한 도면,3 shows the types of fibers classified according to FIG. 2, FIG.

도 4는 본 발명에 따른 섬유가교곡선을 평가하는 방법에 대한 흐름도,4 is a flowchart illustrating a method for evaluating a fiber crosslink curve according to the present invention;

도 5는 매트릭스에 대한 섬유의 배향각을 설명하는 도면,5 illustrates the orientation angle of fibers relative to the matrix;

도 6은 배합비에 따른 확률밀도함수를 도시한 그래프,6 is a graph showing the probability density function according to the compounding ratio;

도 7은 wc60에 대한 섬유가교곡선을 도시한 그래프,7 is a graph showing the fiber crosslink for wc60,

도 8은 wc48에 대한 섬유가교곡선을 도시한 그래프,8 is a graph showing the fiber crosslink for wc48,

도 9는 본 발명에 따른 섬유 1축 인장성능을 평가하는 방법에 대한 흐름도,9 is a flow chart for a method for evaluating the uniaxial tensile performance of the fiber according to the present invention,

도 10은 1축 인장거동에 대한 실험결과와 본 발명으로 예측한 실험결과, 섬유의 방향성과 섬유 개수를 2차원이나 3차원으로 가정하여 예측한 실험결과 비교 그래프이다.10 is a graph comparing the experimental results of the axial tensile behavior and the experimental results predicted by the present invention, assuming that the direction and the number of fibers in two or three dimensions.

Claims (11)

섬유와 매트릭스가 혼합된 섬유 복합재료에서 섬유 탄성계수(Ef), 섬유 길이(Lf), 섬유 직경(df), 섬유 인장강도(σfu), 섬유 함유량(Vf), 매트릭스 탄성계수(Em), 매트릭스 인장강도(σm), 매트릭스 함유량(Vm), 매트릭스와 섬유의 계면 마찰계수(τ0), 화학적 부착계수(GD), 미끌림 경화계수(β), 스너빙 계수(f) 및 강도감소계수(f'), 섬유 중심위치에 대한 확률 밀도 함수(P(z)), 섬유 방향성에 대한 확률밀도함수(P(θ)) 및 섬유개수 보정계수(αnf)를 산출하는 단계;Fiber elastic modulus (E f ), fiber length (L f ), fiber diameter (d f ), fiber tensile strength (σ fu ), fiber content (V f ), matrix elastic modulus (E m ), matrix tensile strength (σ m ), matrix content (V m ), interfacial friction coefficient (τ 0 ) of matrix and fiber, chemical adhesion coefficient (G D ), slip hardening coefficient (β), snubbing coefficient (f) and strength reduction coefficient (f '), probability density function (P (z)) for fiber center position, probability density function (P (θ)) for fiber orientation, and fiber number correction coefficient (α nf ) Calculating; 소정 균열 개구변위에 대해 섬유의 매입길이 및 기울어진 각도에 따라 섬유에 유발된 응력을 계산하는 단계;Calculating the stress induced in the fiber according to the embedding length and inclination angle of the fiber for a predetermined crack opening displacement; 각 섬유에 유발된 응력이 각도에 따른 섬유 강도 감소 효과를 고려한 섬유 강도와 대비하는 단계;Comparing the stress induced in each fiber with the fiber strength considering the effect of reducing the fiber strength according to the angle; 상기 응력이 상기 섬유강도보다 크거나 같으면 해당 섬유의 응력을 0(zero)로 하고, 상기 섬유강도보다 작으면 상기 응력을 해당 섬유의 응력으로 결정하는 단계;Determining that the stress of the fiber is zero when the stress is greater than or equal to the fiber strength, and determining the stress as the stress of the fiber when the stress is less than the fiber strength; 각 섬유의 응력을 수치 적분하여 상기 균열 개구변위에서의 섬유의 가교 응력을 산출하는 단계; 및Numerically integrating the stress of each fiber to calculate the crosslinking stress of the fiber at the crack opening displacement; And 상기 개구변위를 최종 개구변위와 대비하여 상기 개구변위가 최종 개구변위 보다 크거나 같으면 해석을 종료하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석방법.And ending the analysis if the opening displacement is greater than or equal to the last opening displacement in comparison with the final opening displacement. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 섬유 중심 위치에 대한 확률밀도함수(P(z))는 2/Lf인 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석방법.And a probability density function (P (z)) for the fiber center position is 2 / L f . 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 섬유 방향성에 대한 확률밀도 함수(P(θ))는, 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석방법.The probability density function (P (θ)) with respect to the fiber orientation is calculated by the following equation.
Figure 112009062389720-pat00023
Figure 112009062389720-pat00023
제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 섬유 개수 보정계수(αnf)는 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석방법.The fiber number correction coefficient α nf is fiber crosslink analysis method, characterized in that calculated by the following equation.
Figure 112009062389720-pat00024
Figure 112009062389720-pat00024
제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 섬유에 유발된 응력을 계산하는 단계는,Calculating the stress induced in the fiber, 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석방법.Fiber crosslinking analysis method, characterized in that calculated by the following equation.
Figure 112009062389720-pat00025
Figure 112009062389720-pat00025
제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 균열개구변위가
Figure 112009062389720-pat00026
보다 큰 경우에는 상기 섬유에 유발된 응력은 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석방법.
The crack opening displacement
Figure 112009062389720-pat00026
If larger, the stress induced in the fiber is calculated by the following equation.
Figure 112009062389720-pat00027
Figure 112009062389720-pat00027
제6항에 있어서,The method of claim 6, 섬유의 가교 응력을 산출하는 단계에서 섬유 가교 응력은 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석방법.In the step of calculating the crosslinking stress of the fiber, the fiber crosslinking stress is calculated by the following equation.
Figure 112009062389720-pat00028
Figure 112009062389720-pat00028
제6항에 있어서,The method of claim 6, 섬유의 가교 응력을 산출하는 단계에서 섬유 가교 응력은 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석방법.In the step of calculating the crosslinking stress of the fiber, the fiber crosslinking stress is calculated by the following equation.
Figure 112009062389720-pat00029
Figure 112009062389720-pat00029
섬유와 매트릭스가 혼합된 섬유 복합재료로 이루어진 시편에 대한 균열 간격을 산출하여 상기 시편을 n개의 요소로 구분하는 단계;Dividing the specimen into n elements by calculating a crack spacing for the specimen made of a fiber composite mixed with fibers and a matrix; 상기 각 요소에 상기 섬유 복합재료의 강성과 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 섬유 가교 해석방법으로부터 구한 강성을 부여하는 단계;Imparting the stiffness of the fiber composite material and the stiffness obtained from the fiber crosslinking analysis method according to any one of claims 1 to 8 to each element; 상기 시편에 대해 1축 인장 응력을 가하여 소정 변위를 생성하고 상기 변위에 대해 각 요소에 유발된 응력을 상기 섬유 복합재료의 강성을 토대로 계산하는 단계;Applying a uniaxial tensile stress to the specimen to produce a predetermined displacement and calculating the stress induced in each element against the displacement based on the stiffness of the fiber composite material; 상기 각 요소에 유발된 응력과 상기 각 요소의 균열 강도를 대비하는 단계;Comparing the stress induced in each element with the crack strength of each element; 상기 각 요소에 유발된 응력이 상기 균열 강도보다 크거나 같으면 해당 요소의 물성을 상기 섬유 복합재료의 강성에서 상기 섬유 가교 해석방법으로부터 구한 강성으로 교체하는 단계; 및If the stress induced in each element is greater than or equal to the crack strength, replacing the physical properties of the element with the stiffness obtained from the fiber crosslinking analysis method in the stiffness of the fiber composite material; And 상기 요소에 유발된 응력을 상기 섬유 가교 해석방법으로 구한 최대가교응력과 대비하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법.And contrasting the stress induced in the element with the maximum crosslinking stress obtained by the fiber crosslinking analysis method. 10. The method of predicting tensile performance of a fiber composite material by fiber crosslinking analysis comprising: a. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 균열 간격은 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법.The crack spacing is calculated by the following equation, the method of predicting the tensile performance of the fiber composite material by the fiber crosslinking analysis.
Figure 112009062389720-pat00030
Figure 112009062389720-pat00030
여기서
Figure 112009062389720-pat00031
이고,
here
Figure 112009062389720-pat00031
ego,
Figure 112009062389720-pat00032
: orientation coefficient
Figure 112009062389720-pat00033
,
Figure 112009062389720-pat00032
: orientation coefficient
Figure 112009062389720-pat00033
,
Figure 112009062389720-pat00034
: orientation coefficient for frictional force
Figure 112009062389720-pat00034
: orientation coefficient for frictional force
Figure 112009062389720-pat00035
,
Figure 112009062389720-pat00035
,
Figure 112009062389720-pat00036
: orientation coefficient for pulley force
Figure 112009062389720-pat00036
: orientation coefficient for pulley force
Figure 112009062389720-pat00037
,
Figure 112009062389720-pat00037
,
Figure 112009062389720-pat00038
: probability density function for fiber orientation(섬유 방향성에 대한 확률밀도 함수),
Figure 112009062389720-pat00038
probability density function for fiber orientation,
Figure 112009062389720-pat00039
: fiber number coefficient(섬유 개수 보정계수),
Figure 112009062389720-pat00039
: fiber number coefficient,
Figure 112009062389720-pat00040
: correction factor for snubbing effect 로서 0.8의 값임.
Figure 112009062389720-pat00040
: correction factor for snubbing effect, value of 0.8
제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 섬유 복합재료의 강성과 상기 섬유 가교 해석방법으로부터 구한 강성은, 복수의 시편에 대한 시험으로부터 산출된 최대값과 최소값 사이의 임의의 값을 선택하여 부여되는 것을 특징으로 하는 섬유 가교 해석에 의한 섬유복합재료의 인장성능을 예측하는 방법.The stiffness of the fiber composite material and the stiffness obtained from the fiber crosslinking analysis method are given by selecting an arbitrary value between the maximum value and the minimum value calculated from a test on a plurality of specimens. Method of predicting tensile performance of composite materials.
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