This paper numerically reproduces wrinkling of a plain-weave CFRTP laminate under a bias-extension test performed in the commercial finite element analysis(FEA) software, ABAQUS/Explicit, with user-defined material subroutine (VUMAT), implementing a shear angle based nonlinear shear law. Two finite element models of a coupled model where bending stiffness is derived from membrane stiffness, and a decoupled model that separates membrane and bending responses were compared. While both models showed similar shear-angle distributions and predicted wrinkle initiation in the same shear-concentrated regions, their wrinkle growth differed markedly: the coupled model exhibited abrupt, unstable out-of-plane growth, whereas the decoupled model showed earlier and more gradual accumulation. The results emphasize that decoupling the intrinsically low bending stiffness of woven fabrics is essential for accurate wrinkle prediction.

본 논문에서는 유한요소해석을 기반으로 직조 탄소섬유 강화 열가소성 복합재(CFRTP)의 편향 인장시험(bias extension)에서 발생하는 주름(wrinkling) 거동을 수치적으로 재현하고, 막–굽힘 거동의 결합 방식이 주름의 크기와 성장 양상에 미치는 영향을 정량적으로 규명한다. 상용 유한요소해석 소프트웨어인 ABAQUS와 사용자 재료 정의 부 프로그램(VUMAT)를 연계하여, 전단각에 따른 비선형 전단 구성식을 해석 중 실시간으로 갱신하여 반영하였다. 막–굽힘 결합의 영향을 평가하기 위해 굽힘 강성이 막 강성으로부터 산정되는 연계 모델과 막 거동과 굽힘 거동을 분리한 모델에 대하여 해석한 결과, 두 모델은 전단각 분포가 유사하여 주름 발생 위치가 전단 변형 집중 영역과 대응하였으나, 주름 형상과 성장 양상은 굽힘 거동의 분리 여부에 따라 유의미하게 달라졌다. 막–굽힘 연계 모델은 일정 시험 이후 주름 진폭이 급격히 증가하였다가 감소하는 불안정한 성장 거동을 보인 반면, 막–굽힘 분리 모델은 상대적으로 이른 시점부터 주름 진폭이 완만하게 누적되는 성장 거동을 보였다. 본 연구는 주름을 정밀하게 예측하기 위해서 실제 직물의 낮은 굽힘 강성과 막 강성 분리에 대한 필요성을 분석하며 주름 해석 기법 정립에 활용될 수 있다.

Keywords: 탄소섬유 강화 열가소성 복합재(Carbon fiber reinforced thermoplastic, CFRTP), 직조(Woven), 주름(Wrinkling), 유한요소 해석(Finite element analysis, FEA)