Comparative Assessment of Chang–Chang and Tsai–Wu Failure Criteria for Predicting Low-Velocity Impact Damage in CFRP Laminates using LS-DYNA

Moderne Flugzeuge und Hochleistungsküsten verlassen sich zunehmend auf Materialien, die leichter und stärker als Stahl sind, doch sie stehen vor einer hartnäckigen Schwachstelle: dem verborgenen Blattern. Ingenieure konstruieren Strukturen aus Schichten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, einem Verbundwerkstoff, bei dem unglaublich starke Fasern durch eine Harzmatrix zusammengehalten werden. Diese Laminate sind darauf ausgelegt, zäh zu sein, haben aber eine spezifische Schwäche, wenn sie durch ein herabfallendes Werkzeug, ein Stück Bahnschut oder einen Vogel getroffen werden. Ein Aufprall mit geringer Geschwindigkeit kann bei Geschwindigkeiten erfolgen, die langsam genug sind, dass die Oberfläche des Materials für das bloße Auge vollkommen intakt aussieht. Doch unter dieser glatten Oberfläche können sich ein komplexes Netzwerk aus internen Rissen, Delaminationen und gebrochenen Fasern bilden. Dieser Zustand, bekannt als „Barely Visible Impact Damage“ (kaum sichtbare Aufprallschäden), ist gefährlich, da er der Struktur unbemerkt ihre Festigkeit und Steifigkeit raubt, was potenziell lange nach dem ursprünglichen Schlag zum Versagen führen kann. Da die Inspektion jeder Quadratzoll eines Flugzeugs oder Autos auf diese verborgenen Defekte zeitaufwendig und teuer ist, wenden sich Ingenieure an Computersimulationen, um genau vorherzusagen, wie und wo dieser Schaden entsteht, noch bevor ein physisches Teil überhaupt gebaut wird.

Ein Forscherteam aus mehreren Institutionen in Indien unternahm den Versuch, die Zuverlässigkeit von zwei verschiedenen mathematischen Regeln zu testen, die in diesen Computersimulationen verwendet werden, um vorherzusagen, wie die Kohlenstofffaserschichten versagen. Sie verwendeten ein leistungsfähiges Softwaretool namens LS-DYNA, um ein virtuelles Modell einer Kohlenstofffaserplatte zu erstellen und den Aufprall einer schweren Stahlkugel auf diese zu simulieren. Die Forscher wollten wissen, ob die Wahl der Versagensregel für das Gesamtergebnis entscheidend ist. Eine Regel, bekannt als das Chang–Chang-Kriterium, behandelt das Brechen der Fasern und das Reißen der Harzmatrix als getrennte Ereignisse, indem sie jedes einzeln überprüft. Das andere, das Tsai–Wu-Kriterium, kombiniert alle Spannungen in einer einzigen, einheitlichen Berechnung, um zu entscheiden, ob das Material versagt hat. Das Team baute eine virtuelle Platte aus vierundzwanzig Schichten Kohlenstofffaser, die in einem spezifischen Muster angeordnet waren, und ließ eine starre Stahlhemisphäre mit einem Gewicht von 1,85 Kilogramm auf sie fallen. Zuerst kalibrierten sie ihr Modell anhand von realen experimentellen Daten aus einer früheren Studie, um sicherzustellen, dass ihr virtueller Aufbau in Bezug auf die während des Aufpralls gemessene Kraft und die von der Platte absorbierte Energie mit nahezu perfekter Genauigkeit der Realität entsprach.

Nachdem das Modell validiert worden war, führten die Forscher eine Reihe kontrollierter Experimente im Computer durch, um zu sehen, wie die Änderung der Plattenstärke oder der Aufprallgeschwindigkeit das Ergebnis beeinflusst. Sie testeten Platten mit einer Dicke von 5 Millimetern und 7 Millimetern und variierten die Aufprallenergie von 10 Joule bis 20 Joule. Die Ergebnisse zeigten, dass das Verdicken der Platte die erforderliche Kraft, um sie einzudellen, signifikant erhöhte und die Spitzenkraft nahezu verdoppelte, wenn die Dicke von 5 auf 7 Millimeter anstieg. Dickere Platten absorbierten auch etwas mehr Energie, aber die auffälligste Erkenntnis war, dass die zwei verschiedenen Versagensregeln fast identische Ergebnisse für das Gesamtverhalten der Struktur lieferten. Unabhängig davon, ob die Software die Chang–Chang-Regel oder die Tsai–Wu-Regel verwendete, waren die vorhergesagte Kraft auf den Impaktor, die Geschwindigkeit, mit der er zurücksprang, und die von der Platte absorbierte Gesamtenergie praktisch dieselben.

Dies deutet darauf an, dass für Ingenieure, die versuchen, das globale Ansprechverhalten einer Struktur vorherzusagen – wie stark sie sich biegt, wie viel Kraft sie spürt und wie viel Energie sie aufnimmt –, die Wahl zwischen diesen beiden spezifischen mathematischen Regeln das Ergebnis nicht verändert. Der Unterschied zwischen den beiden Methoden scheint nur in den mikroskopischen Details dessen zu liegen, welche Art von Schaden an einem bestimmten Punkt auftritt, wie etwa ob eine Faser bricht oder ein Harzriss entsteht, und nicht in der großflächigen Leistung des Bauteils. Die Studie bestätigt, dass ein einzelnes, gut validiertes Computermodell die Aufprallreaktion von Kohlenstofffaser-Laminaten über einen Bereich von Dicken und Energien hinweg zuverlässig vorhersagen kann. Dies bietet eine recheneffiziente Möglichkeit für Designer, das Ausmaß versteckter Schäden abzuschätzen und sicherere, stoßresistenter konstruierte Strukturen für Luftfahrt- und Automobilanwendungen zu bauen, in dem Wissen, dass die grundlegende Physik des Aufpralls unabhängig davon, welche dieser beiden gängigen Versagensregeln ausgewählt wird, präzise erfasst wird.