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

Gli aeromobili moderni e le auto ad alte prestazioni si affidano sempre più a materiali che sono più leggeri e resistenti dell'acciaio, eppure affrontano una vulnerabilità persistente: il livido invisibile. Gli ingegneri costruiscono strutture da strati di polimero rinforzato con fibra di carbonio, un materiale composito in cui fibre incredibilmente resistenti sono legate insieme da una matrice di resina. Questi laminati sono progettati per essere robusti, ma hanno una debolezza specifica quando vengono colpiti da un attrezzo caduto, da un detrito della pista o da un uccello. Un impatto a bassa velocità può verificarsi a velocità sufficientemente basse da far apparire la superficie del materiale perfettamente integra a occhio nudo. Tuttavia, sotto quel profilo liscio, può formarsi una complessa rete di crepe interne, delaminazioni e fibre rotte. Questa condizione, nota come danno da impatto appena visibile, è pericolosa perché sottrae silenziosamente forza e rigidità alla struttura, portando potenzialmente al cedimento molto tempo dopo l'impatto iniziale. Poiché ispezionare ogni centimetro quadrato di un aereo o di un'auto alla ricerca di questi difetti nascosti è lento e costoso, gli ingegneri si rivolgono alle simulazioni al computer per prevedere esattamente come e dove avviene questo danno prima ancora che venga costruito un componente fisico.

Un team di ricercatori di diverse istituzioni in India ha deciso di testare l'affidabilità di due diverse regole matematiche utilizzate all'interno di queste simulazioni al computer per prevedere come falliscono gli strati di fibra di carbonio. Hanno utilizzato uno strumento software potente chiamato LS-DYNA per creare un modello virtuale di una piastra in fibra di carbonio e simulare la caduta di una pesante sfera d'acciaio su di essa. I ricercatori volevano sapere se la scelta della regola di cedimento influenzasse il risultato complessivo. Una regola, nota come criterio di Chang–Chang, tratta la rottura delle fibre e la fessurazione della matrice di resina come eventi separati, controllando ciascuno di essi individualmente. L'altro, il criterio di Tsai–Wu, combina tutti gli stress in un unico calcolo unificato per decidere se il materiale ha ceduto. Il team ha costruito una piastra virtuale composta da ventiquattro strati di fibra di carbonio, disposti in un modello specifico, e ha fatto cadere un emisfero rigido d'acciaio del peso di 1,85 chilogrammi su di essa. Hanno prima calibrato il loro modello rispetto a dati sperimentali reali da uno studio precedente, assicurandosi che la loro configurazione virtuale corrispondesse alla realtà con una precisione quasi perfetta in termini di forza misurata durante l'impatto ed energia assorbita dalla piastra.

Una volta validato il modello, i ricercatori hanno eseguito una serie di esperimenti controllati al computer per vedere come la variazione dello spessore della piastra o la velocità dell'impatto influenzassero il risultato. Hanno testato piastre con spessori di 5 millimetri e 7 millimetri, e hanno variato l'energia dell'impatto da 10 joule fino a 20 joule. I risultati hanno mostrato che rendere la piastra più spessa aumentava significativamente la forza necessaria per ammaccarla, quasi raddoppiando la forza di picco quando lo spessore passava da 5 a 7 millimetri. Le piastre più spesse assorbivano anche leggermente più energia, ma il risultato più sorprendente è stato che le due diverse regole di cedimento producevano risultati quasi identici per il comportamento complessivo della struttura. Che il software utilizzasse la regola di Chang–Chang o quella di Tsai–Wu, la forza prevista sull'impattore, la velocità con cui rimbalzava e l'energia totale assorbita dalla piastra erano virtualmente gli stessi.

Ciò suggerisce che per gli ingegneri che cercano di prevedere la risposta globale di una struttura — quanto si flette, quanta forza percepisce e quanta energia assorbe — la scelta tra queste due specifiche regole matematiche non cambia la risposta. La differenza tra i due metodi sembra risiedere solo nei dettagli microscopici di quale tipo di danno si verifica in un punto specifico, come se si tratti della rottura di una fibra o della formazione di una crepa nella resina, piuttosto che nelle prestazioni macroscopiche del componente. Lo studio conferma che un singolo modello al computer ben validato può prevedere in modo affidabile la risposta all'impatto dei laminati in fibra di carbonio attraverso una gamma di spessori ed energie. Ciò fornisce un modo computazionalmente efficiente per i progettisti per stimare l'entità del danno nascosto e per costruire strutture più sicure e resistenti agli impatti per applicazioni aerospaziali e automobilistiche, sapendo che la fisica fondamentale dell'impatto è catturata accuratamente indipendentmente da quale di queste due comuni regole di cedimento venga selezionata.