This study proposes a 2D Shell-based injection molding–structural coupled analysis for efficiently predicting the structural behavior of injection-molded short-fiber reinforced composite structures. To this end, local short-fiber orientation during the manufacturing process were derived based on injection molding analysis, and the corresponding behaviors were considered in the process of the structural analysis. Furthermore, by applying a layered 2D Shell model, the 3D distribution of the local short-fiber orientation was approximately mapped onto the layer-wise orientation data of 2D Shell elements, enabling the in-plane and through-thickness distributions of orthotropic material properties to be efficiently considered within a dimension-reduced analysis model. As numerical examples, injection molding-structural coupled analysis was performed for tensile and bending specimens. The accuracy and computational efficiency of the proposed analysis model were verified by comparing obtained results with those of 3D Solid-based injection molding–structural coupled analysis.

본 연구에서는 단섬유 복합소재 사출 성형품의 구조적 거동을 효율적으로 예측하기 위한 2D Shell 기반 사출 성형-구조 연계 해석 방안을 제안하였다. 이를 위해 사출 성형 해석을 바탕으로 복합소재 구조물 제작 과정에서 발생되는 국부적 단섬유 배향 특성을 도출하였으며, 그에 따른 거동 특성 변화를 구조 해석 과정에서 고려하였다. 나아가, 적층 2D Shell 모델 적용을 바탕으로 공간상에서 분포되는 단섬유 배향 특성을 2D Shell 요소의 layer별 배향 정보로 근사 맵핑함으로써 단섬유 복합소재 사출 성형품의 면내/두께 방향 이방 물성 분포를 차원이 축소된 해석 모델에서 반영하였다. 수치 예제로써 인장 및 굽힘 시편에 대한 사출 성형-구조 연계 해석을 수행하였으며, 3D Solid 기반 사출 성형-구조 연계 해석 결과와의 비교/분석을 통해 제안된 해석 방안의 정확성 및 효율성을 검증하였다.

Keywords: 단섬유 강화 복합소재(Short-fiber reinforced composites), 섬유 배향 텐서(Fiber orientation tensor), 부위별 이방 물성(Local orthotropic material property), 사출 성형-구조 연계해석(Injection molding-structural coupled analysis)