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

Moderne vliegtuigen en high-performance auto's vertrouwen steeds vaker op materialen die lichter en sterker zijn dan staal, maar ze kampen met een hardnekkige kwetsbaarheid: de verborgen blauwe plek. Ingenieurs bouwen structuren van lagen koolstofvezelversterkt polymeer, een composietmateriaal waarbij ongelooflijk sterke vezels worden samengebonden door een harsmatrix. Deze laminaten zijn ontworpen om taai te zijn, maar ze hebben een specifieke zwakte wanneer ze worden geraakt door een vallend gereedschap, een stuk puin op de landingsbaan of een vogel. Een impact met een lage snelheid kan plaatsvinden bij snelheden die traag genoeg zijn zodat het oppervlak van het materiaal er met het blote oog perfect uitziet. Echter, onder dat gladde exterieur kan een complex netwerk van interne scheuren, delaminaties en gebroken vezels ontstaan. Deze conditie, bekend als barely visible impact damage (bijna onzichtbare impactschade), is gevaarlijk omdat het de structuur geruisloos van zijn sterkte en stijfheid berooft, wat potentieel kan leiden tot falen lang na de initiële klap. Omdat het inspecteren van elke vierkante inch van een vliegtuig of auto op deze verborgen defecten traag en duur is, wenden ingenieurs zich tot computersimulaties om precies te voorspellen hoe en waar deze schade optreedt voordat er ooit een fysiek onderdeel wordt gebouwd.

Een team onderzoekers van verschillende instellingen in India zette zich in om de betrouwbaarheid van twee verschillende wiskundige regels te testen die worden gebruikt binnen deze computersimulaties om te voorspellen hoe de koolstofvezellagen falen. Ze gebruikten een krachtige softwaretool genaamd LS-DYNA om een virtueel model van een koolstofvezelplaat te maken en een simulatie uit te voeren waarbij een zware stalen bal erop valt. De onderzoekers wilden weten of de keuze van de faalregel uitmaakte voor het algemene resultaat. Eén regel, bekend als het Chang–Chang-criterium, behandelt het breken van de vezels en het scheuren van de harsmatrix als afzonderlijke gebeurtenissen, waarbij elk van hen afzonderlijk wordt gecontroleerd. Het andere, het Tsai–Wu-criterium, combineert alle spanningen in één enkele, verenigde berekening om te bepalen of het materiaal is gefaald. Het team bouwde een virtuele plaat van vierentwintig lagen koolstofvezel, gerangschikt in een specifiek patroon, en liet een rigide stalen hemisfeer van 1,85 kilogram op de plaat vallen. Ze kalibreerden hun model eerst tegen echte experimentele gegevens uit een eerdere studie, om ervoor te zorgen dat hun virtuele opstelling met bijna perfecte nauwkeurigheid overeenkwam met de realiteit wat betreft de gemeten kracht tijdens de impact en de door de plaat geabsorbeerde energie.

Zodra het model gevalideerd was, voerden de onderzoekers een reeks gecontroleerde experimenten uit in de computer om te zien hoe het veranderen van de dikte van de plaat of de snelheid van de impact de uitkomst beïnvloedde. Ze testten platen die 5 millimeter en 7 millimeter dik waren, en varieerden de impactenergie van 10 joules tot 20 joules. De resultaten toonden aan dat het dikker maken van de plaat de kracht die nodig is om er een deuk in te slaan aanzienlijk verhoogde; de piekkracht verdubbelde bijna wanneer de dikte toenam van 5 naar 7 millimeter. Dikkere platen absorbeerden ook iets meer energie, maar de meest opvallende bevinding was dat de twee verschillende faalregels bijna identieke resultaten produceerden voor het algemene gedrag van de structuur. Of de software nu de Chang–Chang-regel of de Tsai–Wu-regel gebruikte, de voorspelde kracht op de impactor, de snelheid waarmee deze terugkaatste en de totale energie die door de plaat werd geabsorbeerd, waren vrijwel hetzelfde.

Dit suggereert dat voor ingenieurs die de globale respons van een structuur proberen te voorspellen — hoeveel het buigt, hoeveel kracht het voelt en hoeveel energie het opneemt — de keuze tussen deze twee specifieke wiskundige regels het antwoord niet verandert. Het verschil tussen de twee methoden lijkt alleen te liggen in de microscopische details van exact welk type schade er op een specifiek punt optreedt, zoals of een vezel breekt of een hars scheurt, in plaats van in de prestaties van het onderdeel op grote schaal. De studie bevestigt dat een enkel, goed gevalideerd computermodel betrouwbaar de impactrespons van koolstofvezellaminaten kan voorspellen over een reeks diktes en energieën. Dit biedt een computationeel efficiënte manier voor ontwerpers om de omvang van verborgen schade in te schatten en om veiligere, meer impactbestendige structuren te bouwen voor luchtvaart- en automotive-toepassingen, wetende dat de fundamentele fysica van de impact accuraat wordt gevangen, ongeacht welke van deze twee veelvoorkomende faalregels wordt geselecteerd.