Comparative Assessment of Chang–Chang and Tsai–Wu Failure Criteria for Predicting Low-Velocity Impact Damage in CFRP Laminates using LS-DYNA
Cette étude valide un modèle par éléments finis LS-DYNA d'impact à faible vitesse sur des stratifiés de CFRP par rapport à des données expérimentales et démontre que, bien que les critères de rupture de Chang–Chang et de Tsai–Wu produisent des réponses structurelles globales presque identiques, ils divergent principalement dans la prédiction des mécanismes locaux de dommage de la matrice et des fibres.
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Les avions modernes et les voitures de haute performance dépendent de plus en plus de matériaux plus légers et plus résistants que l'acier, mais ils font face à une vulnérabilité persistante : la contusion invisible. Les ingénieurs construisent des structures à partir de couches de polymère renforcé de fibres de carbone, un matériau composite où des fibres incroyablement solides sont liées ensemble par une matrice de résine. Ces laminés sont conçus pour être robustes, mais ils présentent une faiblesse spécifique lorsqu'ils sont frappés par un outil tombé, un débris de piste ou un oiseau. Un impact à faible vitesse peut se produire à des vitesses suffisamment lentes pour que la surface du matériau paraisse parfaitement intacte à l'œil nu. Cependant, sous cet extérieur lisse, un réseau complexe de fissures internes, de délaminages et de fibres brisées peut se former. Cet état, connu sous le nom de dommage d'impact à peine visible, est dangereux car il prive silencieusement la structure de sa force et de sa rigidité, pouvant mener à une défaillance longtemps après l'impact initial. Comme l'inspection de chaque centimètre carré d'un avion ou d'une voiture pour détecter ces défauts cachés est lente et coûteuse, les ingénieurs ont recours à des simulations informatiques pour prédire exactement comment et où ces dommages se produisent avant même qu'une pièce physique ne soit construite.
Une équipe de chercheurs de plusieurs institutions en Inde s'est donné pour mission de tester la fiabilité de deux règles mathématiques différentes utilisées à l'intérieur de ces simulations informatiques pour prédire comment les couches de fibres de carbone cèdent. Ils ont utilisé un outil logiciel puissant appelé LS-DYNA pour créer un modèle virtuel d'une plaque de fibre de carbone et simuler la chute d'une lourde bille d'acier sur celle-ci. Les chercheurs voulaient savoir si le choix de la règle de rupture influençait le résultat global. Une règle, connue sous le nom de critère de Chang–Chang, traite la rupture des fibres et la fissuration de la matrice de résine comme des événements distincts, en vérifiant chacun d'eux individément. L'autre, le critère de Tsai–Wu, combine toutes les contraintes en un calcul unique et unifié pour décider si le matériau a cédé. L'équipe a construit une plaque virtuelle composée de vingt-quatre couches de fibre de carbone, disposées selon un motif spécifique, et a laissé tomber une hémisphère rigide en acier pesant 1,85 kilogramme sur elle. Ils ont d'abord calibré leur modèle par rapport à des données expérimentales réelles issues d'une étude précédente, s'assurant que leur configuration virtuelle correspondait à la réalité avec une précision quasi parfaite en termes de force mesurée lors de l'impact et d'énergie absorbée par la plaque.
Une fois le modèle validé, les chercheurs ont mené une série d'expériences contrôlées dans l'ordinateur pour voir comment le changement de l'épaisseur de la plaque ou de la vitesse de l'impact affectait le résultat. Ils ont testé des plaques de 5 millimètres et 7 millimètres d'épaisseur, et ont fait varier l'énergie d'impact de 10 joules jusqu'à 20 joules. Les résultats ont montré que rendre la plaque plus épaisse augmentait considérablement la force nécessaire pour la déformer, doublant presque la force de pointe lorsque l'épaisseur passait de 5 à 7 millimètres. Les plaques plus épaisses absorbaient également un peu plus d'énergie, mais la découverte la plus frappante fut que les deux règles de rupture différentes produisaient des résultats presque identiques pour le comportement global de la structure. Que le logiciel utilise la règle de Chang–Chang ou celle de Tsai–Wu, la force prédite sur l'impacteur, la vitesse de rebond et l'énergie totale absorbée par la plaque étaient pratiquement les mêmes.
Cela suggère que pour les ingénieurs cherchant à prédire la réponse globale d'une structure — son degré de flexion, la force qu'elle ressent et l'énergie qu'elle absorbe — le choix entre ces deux règles mathématiques spécifiques ne change pas la réponse. La différence entre les deux méthodes semble résider uniquement dans les détails microscopiques de la nature exacte du dommage qui se produit à un point précis, comme si une fibre se brise ou si une fissure de résine se forme, plutôt que dans la performance globale de la pièce. L'étude confirme qu'un modèle informatique unique et bien validé peut prédire de manière fiable la réponse à l'impact des laminés de fibre de carbone à travers une gamme d'épaisseurs et d'énergies. Cela offre un moyen de calcul efficace pour les concepteurs afin d'estimer l'étendue des dommages cachés et de construire des structures plus sûres et plus résistantes aux impacts pour les applications aérospatiales et automobiles, sachant que la physique fondamentale de l'impact est capturée avec précision, quelle que soit la règle de rupture parmi ces deux règles courantes qui est sélectionnée.
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