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

Aeronaves modernas e carros de alto desempenho dependem cada vez mais de materiais que são mais leves e fortes do que o aço, mas enfrentam uma vulnerabilidade persistente: o hematoma oculto. Engenheiros constroem estruturas a partir de camadas de polímero reforçado com fibra de carbono, um material composto onde fibras incrivelmente fortes são unidas por uma matriz de resina. Esses laminados são projetados para serem resistentes, mas possuem uma fraqueza específica quando atingidos por uma ferramenta caída, um detrito de pista ou um pássaro. Um impacto de baixa velocidade pode ocorrer em velocidades lentas o suficiente para que a superfície do material pareça perfeitamente intacta a olho nu. No entanto, sob esse exterior liso, uma rede complexa de rachaduras internas, delaminações e fibras quebradas pode se formar. Essa condição, conhecida como dano de impacto quase invisível, é perigosa porque rouba silenciosamente a força e a rigidez da estrutura, podendo levar à falha muito tempo após o impacto inicial. Como inspecionar cada centímetro quadrado de um avião ou carro em busca desses defeitos ocultos é lento e caro, os engenheiros recorrem a simulações computacionais para prever exatamente como e onde esse dano ocorre antes que uma peça física seja sequer construída.

Uma equipe de pesquisadores de diversas instituições na Índia partiu para testar a confiabilidade de duas regras matemáticas diferentes usadas dentro dessas simulações computacionais para prever como as camadas de fibra de carbono falham. Eles usaram uma poderosa ferramenta de software chamada LS-DYNA para criar um modelo virtual de uma placa de fibra de carbono e simular uma pesada bola de aço caindo sobre ela. Os pesquisadores queriam saber se a escolha da regra de falha importava para o resultado geral. Uma regra, conhecida como critério de Chang–Chang, trata a quebra das fibras e o trincamento da matriz de resina como eventos separados, verificando cada um individualmente. A outra, o critério de Tsai–Wu, combina todas as tensões em um único cálculo unificado para decidir se o material falhou. A equipe construiu uma placa virtual feita de vinte e quatro camadas de fibra de carbono, dispostas em um padrão específico, e deixou cair uma hemisfério rígido de aço pesando 1,85 quilogramas sobre ela. Eles primeiro calibraram seu modelo com base em dados experimentais do mundo real de um estudo anterior, garantindo que sua configuração virtual correspondesse à realidade com precisão quase perfeita em termos da força medida durante o impacto e da energia absorvida pela placa.

Uma vez validado o modelo, os pesquisadores realizaram uma série de experimentos controlados no computador para ver como a alteração da espessura da placa ou a velocidade do impacto afetava o resultado. Eles testaram placas que tinham 5 milímetros e 7 milímetros de espessura, e variaram a energia do impacto de 10 joules até 20 joules. Os resultados mostraram que tornar a placa mais espessa aumentou significamente a força necessária para amassá-la, quase dobrando a força de pico quando a espessura aumentou de 5 para 7 milímetros. Placas mais espessas também absorveram um pouco mais de energia, mas o achado mais impressionante foi que as duas diferentes regras de falha produziram resultados quase idênticos para o comportamento global da estrutura. Quer o software utilizasse a regra de Chang–Chang ou a de Tsai–Wu, a força prevista no impactador, a velocidade com que ele ricocheteou e a energia total absorvida pela placa foram virtualmente as mesmas.

Isso sugere que, para engenheiros que tentam prever a resposta global de uma estrutura — o quanto ela dobra, quanta força ela sente e quanta energia ela absorve —, a escolha entre essas duas regras matemáticas específicas não altera a resposta. A diferença entre os dois métodos parece residir apenas nos detalhes microscópicos de qual tipo de dano ocorre em um ponto específico, como se uma fibra se quebrou ou uma rachadura na resina se formou, em vez de no desempenho macro da peça. O estudo confirma que um único modelo computacional bem validado pode prever de forma confiável a resposta ao impacto de laminados de fibra de carbono através de uma gama de espessuras e energias. Isso fornece uma maneira computacionalmente eficiente para projetistas estimarem a extensão do dano oculto e construírem estruturas mais seguras e resistentes ao impacto para aplicações aeroespaciais e automotivas, sabendo que a física fundamental do impacto é capturada com precisão, independentemente de qual dessas duas regras de falha comuns seja selecionada.