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

현대 항공기와 고성능 자동차는 점점 더 강철보다 가볍고 강한 재료에 의존하고 있지만, 이들은 지속적인 취약점인 '숨겨진 멍'에 직면해 있습니다. 엔지니어들은 매우 강한 섬유가 수지 매트릭스에 의해 결합된 복합 재료인 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)의 층으로 구조물을 제작합니다. 이러한 적층 구조는 견고하게 설계되었지만, 떨어진 도구, 활주로의 파편, 또는 새와 같은 충격을 받았을 때 특정한 약점을 보입니다. 저속 충격은 육안으로는 재료의 표면이 완벽하게 멀쩡해 보일 정도로 느린 속도로 발생할 수 있습니다. 그러나 그 매끄러운 외관 아래에는 내부 균열, 층간 분리, 그리고 끊어진 섬유의 복잡한 네트워크가 형성될 수 있습니다. '눈에 거의 보이지 않는 충격 손상(BVID)'이라고 알려진 이 상태는 구조물의 강도와 강성을 소리 없이 빼앗아, 초기 충격이 발생한 지 한참 후에 구조적 실패로 이어질 수 있기 때문에 위험합니다. 비행기나 자동차의 모든 면적을 이러한 숨겨진 결함에 대해 검사하는 것은 시간과 비용이 많이 들기 때문에, 엔지니어들은 물리적인 부품이 실제로 제작되기 전에 이 손상이 정확히 어떻게, 어디에서 발생하는지를 예측하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션에 의존합니다.

인도의 여러 기관 소속 연구진은 탄소 섬유 층이 어떻게 파손되는지를 예측하는 데 사용되는 두 가지 서로 다른 수학적 규칙의 신뢰성을 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다. 연구진은 강력한 소프트웨어 도구인 LS-DYNA를 사용하여 탄소 섬로 판의 가상 모델을 만들고, 무거운 강철 공이 그 위로 떨어지는 상황을 시뮬레이션했습니다. 연구진은 실패 규칙의 선택이 전체 결과에 영향을 미치는지 알고 싶었습니다. '창-창(Chang–Chang)' 기준이라고 알려진 한 규칙은 섬유의 파단과 수지 매트릭스의 균열을 각각 개별적으로 확인하여 별개의 사건으로 취급합니다. 다른 하나인 '차이-우(Tsai–Wu)' 기준은 모든 응력을 하나의 통합된 계산법으로 결합하여 재료의 파손 여부를 결정합니다. 연구진은 특정 패턴으로 배열된 24층의 탄소 섬유로 구성된 가상 판을 제작하고, 무게 1.85kg의 단단한 강철 반구체를 그 위에 떨어뜨렸습니다. 그들은 먼저 이전 연구의 실제 실험 데이터에 맞춰 모델을 보정함으로써, 충격 중 측정된 힘과 판이 흡수한 에너지가 실제와 거의 완벽하게 일치하도록 가상 설정을 조정했습니다.

모델 검증이 완료된 후, 연구진은 판의 두께나 충격 속도를 변화시킴에 따라 결과가 어떻게 달라지는지 확인하기 위해 컴퓨터 내에서 일련의 통제된 실험을 수행했습니다. 그들은 두께가 5mm와 7mm인 판을 테스트했으며, 충격 에너지를 10줄(joules)에서 20줄까지 변화시켰습니다. 결과에 따르면 판을 더 두껍게 만들수록 이를 찌그러뜨리는 데 필요한 힘이 크게 증가하여, 두께가 5mm에서 7mm로 증가할 때 정점 하중(peak force)이 거의 두 배로 늘어났습니다. 두꺼운 판은 에너지를 약간 더 많이 흡수했지만, 가장 놀라운 발견은 두 가지 서로 다른 실패 규칙이 구조의 전체적인 거동에 대해 거의 동일한 결과를 나타냈다는 점입니다. 소프트웨어가 창-창 규칙을 사용하든 차이-우 규칙을 사용하든, 충격체에 가해지는 예측 힘, 튕겨 나가는 속도, 그리고 판이 흡수한 총 에너지는 사실상 동일했습니다.

이는 구조의 전역적 응답(구조가 얼마나 휘는지, 얼마만큼의 힘을 느끼는지, 그리고 얼마나 많은 에너지를 흡수하는지)을 예측하려는 엔지니어들에게 있어, 이 두 가지 특정 수학적 규칙 사이의 선택이 답을 바꾸지 않는다는 것을 시사합니다. 두 방법 사이의 차이점은 특정 지점에서 정확히 어떤 유형의 손상(예를 들어 섬유가 끊어지는지 또는 수지 균열이 발생하는지)이 발생하는지에 대한 미시적인 세부 사항에만 있는 것으로 보이며, 부품의 거시적인 성능에는 영향을 미치지 않습니다. 이 연구는 잘 검증된 단일 컴퓨터 모델이 다양한 두께와 에너지 범위에 걸쳐 탄소 섬유 적층 구조의 충격 응답을 신뢰성 있게 예측할 수 있음을 확인해 줍니다. 이는 설계자들이 이 두 가지 흔한 실패 규칙 중 어떤 것이 선택되더라도 충격의 근본적인 물리학이 정확하게 포착된다는 점을 인지한 상태에서, 숨겨진 손상의 범위를 추정하고 항공우주 및 자동차 분야를 위한 더 안전하고 충격에 강한 구조물을 구축할 수 있는 계산 효율적인 방법을 제공합니다.