Abstract
A new non-destructive fatigue prediction model of the composite laminates is developed. The natural frequencies of fatigue-damaged laminates under extensional loading are related to the fatigue life of the laminates by establishing the equivalent flexural stiffness reduction as a function of the elastic properties of sublaminates. The flexural stiffness is derived by relating the 90-ply elastic modulus reduction, and using the laminate plate theory to the degraded elastic modulus and the intact elastic modulus of other laminates. The natural frequency reduction model, in which the dominant fatigue mode can be identified from the sensitivity scale factors of sublaminate elastic properties, provides natural frequency vs. fatigue cycle curves for the composite laminates. Vibration tests were also conducted on $[{90}_2/0_2]_s$ carbon/epoxy laminates to verify the natural frequency reduction model. Correlations between the predictions of the model and experimental results are good.
피로 손상을 입은 복합재료 적층보의 모재 균열로 인한 유효 휨 강성 저하 모델를 제시하고 이 모형에 대한 고유 진동수 변화를 예측하는 새로운 비파괴 예측 모델을 개발하였다. 인장 하중하에서 피로 손상을 입은 직교 복합재료 적층보의 고유진동수는 유효 휨 강성 저하를 $0^{\circ}$층과 $90^{\circ}$층의 탄성 계수와 함수 관계로 둠으로서 복합재료 적층보의 피로수명을 예측하였다. 피로 하중하에서 복합재료 적층보의 $90^{\circ}$층 탄성 계수 저하와 다른 층($0^{\circ}$층)에 본래 갖고 있는 탄성 계수를 적층판 이론에 적용하여 유효 휨 강성을 유도하였다. 직교 복합재료 적층보에 대해 피로 실험시 초기의 파단 양상은 대개 $90^{\circ}$층에서의 모재 균열이 지배적으로 나타나는데, 이를 이용하여 고유진동수 감소 모델은 직교 복합재료 적층보에서의 고유진동수 대 피로 사이클 곡선을 나타낼 수 있었다. 이와 같은 고유진동수 감소 모델의 타당성을 입증하기 위하여 $[{90}_2/0_2]_s$ 탄소섬유/에폭시 복합재료 적층보에 대한 진동 실험을 수행하였다. 본 모델의 예측 결과와 실험 결과가 잘 일치하는 바 본 논문에서 제시한 강성 저하 모델의 타당성을 입증하였다.
