This study proposes a multiscale fatigue damage and life prediction model for plain woven CFRP composites. The model incorporates an idealized unit cell (IUC) of the woven architecture and a localization–homogenization method into finite element analysis through a user-defined UMAT subroutine. The macroscopic strain field is transferred to yarn and matrix subcells, where fatigue failure criteria and cycle-dependent material degradation laws are applied. The degraded constituent properties are then homogenized and returned to the macroscale analysis to predict fatigue life. The proposed model was applied to 0° and 45° woven CFRP specimens under tension-tension fatigue loading. The predicted S–N curves showed good agreement with experimental results. In addition, the model captured orientation-dependent fatigue mechanisms, including fiber-dominant failure in 0° specimens and matrix-dominant shear failure in 45° specimens. These results demonstrate the reliability of the proposed multiscale model for predicting progressive fatigue damage in woven CFRP composites.

본 연구에서는 평직 CFRP 복합재의 피로 손상 및 수명 예측을 위한 멀티스케일 모델을 제안한다. 제안된 모델은 직조 구조를 대표하는 단위 셀인 IUC(Idealized Unit Cell)와 국소화–균질화 기법을 사용자 정의 UMAT 서브루틴을 통해 유한요소 해석에 통합하였다. 거시적 변형률은 섬유 다발 및 기지 subcell로 전달되며, 각 셀에서 피로 파손 기준과 사이클 기반 물성 저하 법칙이 적용된다. 이후 저하된 구성 성분의 물성은 균질화되어 거시적 해석으로 반환되며, 이를 통해 피로 수명을 예측한다. 본 모델은 인장–인장 피로 하중을 받는 0° 및 45° 평직 CFRP 시편에 적용되었다. 예측된 S–N 곡선은 실험 결과와 잘 일치하였으며, 0° 시편의 섬유 지배 파손과 45° 시편의 기지 지배 전단 파손을 포함한 방향에 따른 피로 손상 메커니즘을 잘 모사하였다. 이러한 결과는 제안된 멀티스케일 모델이 직조 CFRP 복합재의 점진적 피로 손상을 신뢰성 있게 예측할 수 있음을 보여준다.

Keywords: 피로(Fatigue), 직조복합재(Woven composites), 멀티스케일(Multiscale), 균질화(Homogenization)