Comparative Assessment of Chang–Chang and Tsai–Wu Failure Criteria for Predicting Low-Velocity Impact Damage in CFRP Laminates using LS-DYNA
यह अध्ययन प्रायोगिक डेटा के विरुद्ध CFRP लैमिनेट्स पर निम्न-वेग प्रभाव (low-velocity impact) के एक LS-DYNA परिमित तत्व मॉडल (finite element model) को मान्य करता है और यह प्रदर्शित करता है कि जबकि चांग-चांग (Chang–Chang) और त्साई-वू (Tsai–Wu) विफलता मानदंड लगभग समान वैश्विक संरचनात्मक प्रतिक्रिया प्रदान करते हैं, वे मुख्य रूप से स्थानीय मैट्रिक्स और फाइबर क्षति तंत्रों के पूर्वानुमान में भिन्न होते हैं।
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आधुनिक विमान और उच्च-प्रदर्शन वाली कारें तेजी से ऐसे पदार्थों पर निर्भर हो रही हैं जो स्टील की तुलना में हल्के और अधिक मजबूत हैं, फिर भी वे एक निरंतर कमजोरी का सामना करती हैं: छिपा हुआ नील या चोट (द हीडन ब्रूज)। इंजीनियर इन संरचनाओं को कार्बन-फाइबर-रीइन्फोर्स्ड पॉलीमर से बनाते हैं, जो एक मिश्रित सामग्री (कंपोजिट मटेरियल) है जहाँ अविश्वसनीय रूप से मजबूत रेशों को एक रेजिन मैट्रिक्स द्वारा आपस में जोड़ा जाता है। ये लैमिनेट्स मजबूत बनाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, लेकिन जब किसी गिरे हुए औजार, रनवे के मलबे या पक्षी से टकराते हैं, तो इनमें एक विशिष्ट कमजोरी आ जाती है। एक कम-वेग वाला प्रभाव (लो-वेलोसिटी इम्पैक्ट) इतनी धीमी गति से हो सकता है कि सामग्री की सतह नग्न आंखों से देखने में पूरी तरह ठीक दिखाई दे। हालांकि, उस चिकनी बाहरी सतह के नीचे, आंतरिक दरारों, डैमेज (डिलेमिनेशन) और टूटे हुए रेशों का एक जटिल नेटवर्क बन सकता है। यह स्थिति, जिसे 'बेयरली विज़िबल इम्पैक्ट डैमेज' (Barely Visible Impact Damage) कहा जाता है, खतरनाक है क्योंकि यह चुपचाप संरचना की मजबूती और कठोरता को छीन लेती है, जिससे प्रारंभिक प्रहार के बहुत समय बाद विफलता (फेलियर) हो सकती है। चूंकि विमान या कार के हर एक इंच का इन छिपे हुए दोषों के लिए निरीक्षण करना धीमा और महंगा है, इसलिए इंजीनियर भौतिक भाग के निर्माण से पहले ही यह अनुमान लगाने के लिए कि यह क्षति कैसे और कहाँ होती है, कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लेते हैं।
भारत के कई संस्थानों के शोधकर्ताओं के एक दल ने उन दो अलग-अलग गणितीय नियमों की विश्वसनीयता का परीक्षण करने के लिए हाथ बढ़ाया, जिनका उपयोग कार्बन-फाइबर की परतों के विफल होने की भविष्यवाणी करने के लिए इन कंप्यूटर सिमुलेशन के भीतर किया जाता है। उन्होंने एक कार्बन-फाइबर प्लेट का आभासी मॉडल बनाने और उस पर एक भारी स्टील की गेंद गिराने का अनुकरण करने के लिए LS-DYNA नामक एक शक्तिशाली सॉफ्टवेयर टूल का उपयोग किया। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या विफलता के नियम का चुनाव समग्र परिणाम को प्रभावित करता है। एक नियम, जिसे चांग-चांग (Chang–Chang) मानदंड के रूप में जाना जाता है, रेशों के टूटने और रेजिन मैट्रिक्स के फटने को अलग-अलग घटनाओं के रूप में मानता है और प्रत्येक की व्यक्तिगत रूप से जांच करता है। दूसरा, त्साई-वू (Tsai–Wu) मानदंड, सामग्री के विफल होने का निर्णय लेने के लिए सभी तनावों (स्ट्रेस) को एक एकल, एकीकृत गणना में संयोजित करता है। टीम ने कार्बन फाइबर की चौबीस परतों वाली एक आभासी प्लेट बनाई, जिसे एक विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित किया गया था, और उस पर 1.85 किलोग्राम वजन वाला एक कठोर स्टील अर्धगोला (हेमिस्फीयर) गिराया। उन्होंने पहले अपने मॉडल को एक पिछले अध्ययन के वास्तविक दुनिया के प्रयोगात्मक डेटा के विरुद्ध कैलिब्रेट किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि उनका आभासी सेटअप प्रभाव के दौरान मापे गए बल और प्लेट द्वारा अवशोषित ऊर्जा के मामले में वास्तविकता के साथ लगभग सटीक रूप से मेल खाता है।
मॉडल के मान्य (वैलिडेट) होने के बाद, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर में नियंत्रित प्रयोगों की एक श्रृंखला चलाई ताकि यह देखा जा सके कि प्लेट की मोटाई या प्रभाव की गति बदलने से परिणाम पर क्या प्रभाव पड़ता है। उन्होंने 5 मिलीमीटर और 7 मिलीमीटर मोटी प्लेटों का परीक्षण किया, और प्रभाव ऊर्जा को 10 जूल से 20 जूल तक बदला। परिणामों ने दिखाया कि प्लेट को मोटा करने से उसमें गड्ढा करने के लिए आवश्यक बल काफी बढ़ गया, और जब मोटाई 5 से बढ़ाकर 7 मिलीमीटर की गई, तो पीक फोर्स (चरम बल) लगभग दोगुना हो गया। मोटी प्लेटों ने थोड़ी अधिक ऊर्जा भी अवशोषित की, लेकिन सबसे चौंकाने वाला निष्कर्ष यह था कि दो अलग-अलग विफलता नियमों ने संरचना के समग्र व्यवहार के लिए लगभग समान परिणाम दिए। चाहे सॉफ्टवेयर ने चांग-चांग नियम का उपयोग किया हो या त्साई-वू नियम का, प्रभावक (इम्पैक्टर) पर लगने वाला बल, उसके वापस उछलने की गति और प्लेट द्वारा अवशोषित कुल ऊर्जा लगभग एक समान थी।
यह सुझाव देता है कि जो इंजीनियर किसी संरचना की वैश्विक प्रतिक्रिया (ग्लोबल रिस्पॉन्स) का अनुमान लगाने की कोशिश कर रहे हैं—कि वह कितना झुकती है, कितना बल महसूस करती है, और कितनी ऊर्जा सोखती है—उनके लिए इन दो विशिष्ट गणितीय नियमों के बीच का चुनाव उत्तर को नहीं बदलता है। दोनों विधियों के बीच का अंतर केवल सूक्ष्म विवरणों में निहित प्रतीत होता है कि किसी विशिष्ट बिंदु पर वास्तव में किस प्रकार की क्षति होती है, जैसे कि कोई रेशा टूटा है या रेजिन की दरार बनी है, बजाय इसके कि भाग के बड़े स्तर के प्रदर्शन में क्या बदलाव आता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि एक एकल, अच्छी तरह से मान्य कंप्यूटर मॉडल मोटाई और ऊर्जा की एक श्रृंखला में कार्बन-फाइबर लैमिनेट्स की प्रभाव प्रतिक्रिया की विश्वसनीय रूप से भविष्यवाणी कर सकता है। यह डिजाइनरों के लिए छिपे हुए नुकसान के विस्तार का अनुमान लगाने और अधिक सुरक्षित, अधिक प्रभाव-प्रतिरोधी संरचनाएं बनाने के लिए एक गणनात्मक रूप से कुशल तरीका प्रदान करता है, यह जानते हुए कि इन दो सामान्य विफलता नियमों में से किसी एक को चुनने के बावजूद प्रभाव के मौलिक भौतिक विज्ञान को सटीक रूप से कैप्चर किया गया है।
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