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

現代の航空機や高性能車は、鋼鉄よりも軽く強靭な材料への依存度を高めていますが、依然としてある執拗な脆弱性に直面しています。それは「隠れた打痕（ひび）」です。エンジニアは、極めて強靭な繊維を樹脂マトリックスで結合させた複合材料である、炭素繊維強化ポリマーの層を用いて構造体を構築しています。これらの積層体は頑丈に設計されていますが、工具の落下や滑走路の破片、あるいは鳥の衝突といった衝撃に対して、特有の弱点を持っています。低速の衝撃は、目視では表面が完全に正常に見えるほど十分に低速で発生することがあります。しかし、その滑らかな外観の下では、内部の亀裂、層間剥離、および繊維の断裂からなる複雑なネットワークが形成されている可能性があります。この状態は「目に見えにくい衝撃損傷（BVID）」として知られており、構造物の強度と剛性を静かに奪い、初期の衝撃から長い時間が経過した後に破壊を招く可能性があるため、非常に危険です。飛行機や車のあらゆる平方インチをこれらの隠れた欠陥に対して検査することは、時間とコストがかかるため、エンジニアは物理的な部品が実際に作られる前に、損傷がどのように、どこで発生するかを予測するためにコンピュータシミュレーションを活用します。

インドの複数の機関の研究チームは、炭素繊維の層がどのように破壊されるかを予測するために、これらのコンピュータシミュレーション内で使用される2つの異なる数学的規則の信頼性を検証することを目的としました。彼らは、LS-DYNAと呼ばれる強力なソフトウェアツールを使用して、炭素繊維プレートの仮想モデルを作成し、重い鋼球をその上に落下させるシミュレーションを行いました。研究者たちは、失敗規則の選択が全体の結果に影響を与えるかどうかを知りたいと考えました。一方の規則である「チャン・チャン（Chang–Chang）基準」は、繊維の破断と樹脂マトリックスの亀裂を別々の事象として扱い、それぞれを個別にチェックします。もう一方の「ツァイ・ウー（Tsai–Wu）基準」は、材料が破壊されたかどうかを判断するために、すべての応力を単一の統一された計算にまとめます。チームは、特定のパターンで配置された24層の炭素繊維からなる仮想プレートを作成し、1.85キログラムの剛性を持つ鋼鉄製の半球をその上に落下させました。彼らはまず、モデルを過去の研究による実世界の実験データに対して較正し、衝撃中に測定された力やプレートによって吸収されたエネルギーに関して、仮想のセットアップが現実とほぼ完璧に一致するようにしました。

モデルの検証が完了した後、研究者たちは、プレートの厚さや衝撃速度を変えることで結果がどのように変化するかを確認するために、コンピュータ内での一連の制御された実験を行いました。彼らは厚さが5ミリメートルと7ミリメートルのプレートをテストし、衝撃エネルギーを10ジュールから20ジュールまで変化させました。その結果、プレートを厚くすると、凹ませるために必要な力が大幅に増加し、厚さが5ミリから7ミリに増加するとピーク荷重がほぼ倍増することが示されました。厚いプレートはエネルギーもわずかに多く吸収しましたが、最も驚くべき発見は、これら2つの異なる失敗規則が、構造物の全体的な挙動に対してほぼ同一の結果をもたらしたことです。ソフトウェアがチャン・チャン基準を使用しても、ツァイ・ウー基準を使用しても、衝撃体にかかる予測荷重、跳ね返りの速度、およびプレートに吸収された総エネルギーは事実上同じでした。

このことは、構造物の全体的な応答（どれだけ曲がるか、どれだけの力を受けるか、どれだけのエネルギーを吸収するか）を予測しようとするエンジニアにとって、これら2つの特定の数学的規則のどちらを選択しても答えは変わらないことを示唆しています。これら2つの手法の差は、特定の地点で具体的にどの種類の損傷が発生するか（例えば、繊維が切れるのか、樹脂の亀裂が生じるのか）という微視的な詳細にのみ存在するようで、部品の全体的な性能には影響しません。本研究は、適切に検証された単一のコンピュータモデルが、さまざまな厚さやエネルギーにわたって炭素繊維積層体の衝撃応答を確実に予測できることを裏付けています。これにより、設計者は、これら2つの一般的な失敗規則のどちらを選択しても、衝撃の基本的な物理現象が正確に捉えられていることを理解した上で、隠れた損傷の程度を推定し、より安全で耐衝撃性の高い構造体を構築するための、計算効率の高い方法を得ることができます。