This study numerically predicted the mechanical stiffness of plain weave CFRP by establishing a two-step multiscale homogenization technique based on Representative Volume Elements (RVE). To simulate the complex woven structure, a stepwise homogenization process was performed across micro and mesoscales. First, the anisotropic effective properties of the yarn, reflecting the interaction between T300 fiber and K51 resin, were derived. These were then applied to a mesoscale RVE model to calculate the final effective stiffness. To verify the framework, tensile tests were conducted per ASTM D3039. The experimental Young's modulus (68.3 GPa) and the FEA result (73.94 GPa) showed a relative error of approximately 8.25%. This difference is attributed to the infinite continuum assumption of periodic boundary conditions (PBC) and the exclusion of manufacturing defects. The established multiscale technique demonstrated excellent effectiveness in predicting the behavior of woven composites during the initial design phase.

본 연구에서는 RVE(Representative Volume Element) 기반의 2단계 멀티스케일 균질화 기법을 정립하여 평직 탄소섬유 복합재료의 기계적 강성을 예측하였다. 미시적 구조를 모사하기 위해 해석 범위를 Micro-mesoscale로 구분하여 단계적 균질화 과정을 수행하였다. 먼저 1차 균질화를 통해 T300 탄소섬유와 K51 에폭시 수지 간의 상호작용이 반영된 섬유 다발(Yarn)의 이방성 유효 물성을 도출하였으며, 이를 평직 구조 모델에 적용하여 최종적인 유효 강성을 산출하였다. 제안된 프레임워크의 검증을 위해 ASTM D3039 표준 인장 시험을 수행한 결과, 실험값(68.3 GPa)과 해석값(73.94 GPa) 사이에서 약 8.25%의 오차를 확인하였다. 이는 주기적 경계 조건(PBC)에 따른 연속체 가정 및 실제 공정 결함의 배제에 기인한 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 확립된 해석 기법은 복잡한 직조 구조 복합재의 초기 설계 단계에서 물성 예측 기술로서의 유효성을 입증하였다.

Keywords: 대표체적요소(RVE, Representative Volume Element), 멀티스케일 균질화(Multiscale Homogenization), 유한요소해석(Finite Element Analysis), 평직 탄소섬유 복합재(Plain Weave CFRP Composites)