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

现代飞机和高性能汽车越来越多地依赖比钢更轻、更强的材料，但这些材料面临着一个持久的脆弱点：隐形损伤。工程师使用碳纤维增强聚合物构建结构，这是一种由极强纤维通过树脂基体结合在一起的复合材料。这些层压板被设计得非常坚韧，但在受到掉落工具、跑道碎片或鸟类撞击时，会表现出一种特定的弱点。低速撞击可能发生在速度足够慢的情况下，以至于材料表面在肉眼看来完全完好无损。然而，在那光滑的外表之下，可能会形成复杂的内部裂纹、层间剥离和纤维断裂。这种被称为“几乎不可见的冲击损伤”（BVID）的情况是非常危险的，因为它在无形中削弱了结构的强度和刚度，可能在最初的撞击发生很久之后导致结构失效。由于检查飞机或汽车的每一平方英寸是否存在这些隐藏缺陷既缓慢又昂贵，工程师们转向使用计算机模拟，在物理部件制造之前，精确预测这些损伤如何发生以及发生在何处。

来自印度几家研究机构的一个研究小组致力于测试用于预测碳纤维层如何失效的两套不同数学规则的可靠性。他们使用了一款名为 LS-DYNA 的强大软件工具，创建了一个碳纤维板的虚拟模型，并模拟了一个重型钢球落在其上的过程。研究人员想知道，失效规则的选择是否会对最终结果产生影响。其中一种规则被称为 Chang–Chang 准则，它将纤维断裂和树脂基体开裂视为两个独立的事件，分别进行检查。另一种规则是 Tsai–Wu 准则，它将所有应力合并为一个统一的计算过程，以此来判定材料是否失效。该团队构建了一个由二十四层碳纤维组成的虚拟板，并按照特定的排列模式进行布置，然后将一个重量为 1.85 公斤的刚性钢半球掉落在其上。他们首先根据之前研究中的真实实验数据对模型进行了校准，确保其虚拟设置在撞击过程中测得的力量和板吸收的能量方面，与现实情况达到了近乎完美的匹配。

模型验证完成后，研究人员在计算机中进行了一系列受控实验，以观察改变板的厚度或撞击速度如何影响结果。他们测试了 5 毫米和 7 毫米厚的板，并将撞击能量在 10 焦耳到 20 焦耳之间进行了变化。结果显示，增加板的厚度显著提高了使其凹陷所需的力，当厚度从 5 毫米增加到 7 毫米时，峰值力几乎翻了一番。较厚的板也吸收了稍多一点的能量，但最令人惊讶的发现是，两种不同的失效规则在结构的整体行为表现上几乎得出了相同的结果。无论软件使用的是 Chang–Chang 规则还是 Tsai–Wu 规则，预测的冲击器作用力、反弹速度以及板吸收的总能量几乎都是一样的。

这表明，对于试图预测结构全局响应（即结构如何弯曲、承受多少力以及吸收多少能量）的工程师来说，在这两种特定数学规则之间的选择不会改变答案。这两种方法之间的差异似乎仅在于特定点位发生的微观细节，例如究竟是纤维断裂还是树脂裂纹形成，而非部件的宏观性能。该研究证实，一个经过良好验证的单一计算机模型可以可靠地预测碳纤维层压板在不同厚度和能量范围内的冲击响应。这为设计师提供了一种计算高效的方法，用以估算隐藏损伤的程度，并构建更安全、更具抗冲击能力的航空航天及汽车结构，因为他们可以确信，无论选择哪种常用的失效规则，撞击的基本物理特性都能被准确捕捉。