Comparative analysis of failure criteria for anisotropic layered composites: from brittle onset to progressive damage in aerospace structural elements

Abstract

UA: Аерокосмічні композитні конструкції традиційно аналізуються з використанням критеріїв руйнування першого шару (FPF), які прирівнюють початкове пошкодження шару до руйнування всієї конструкції, що призводить до неконсервативного завищення прогнозованих навантажень руйнування на 23 % для квазіізотропних ламінатів з вуглецевого волокна (CFRP). У роботі систематично порівнюються п’ять відомих критеріїв руйнування – максимальних напружень, максимальних деформацій, Цая-Хілла, Цая-Ву та Хашина – для аерокосмічно-репрезентативних конфігурацій укладання. Критерій Хашина прогнозує критичне зсувне напруження на 5 % нижче за поріг методу максимальних напружень завдяки механізму зв’язаного руйнування матриці при зсуві та поперечному навантаженні. Тристадійна модель прогресивного пошкодження, що відстежує мікротріщини матриці, відшарування на межі розділу та делінацію в когезійній зоні, відтворює граничні навантаження руйнування з відхиленням менше 0,5 % від експериментальних значень за ASTM D3039. /// EN: Aerospace composite structures are routinely analysed using first-ply-failure criteria that equate initial ply damage with structural collapse, generating unconservative failure-load overestimates of up to 23 % for quasiisotropic carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) laminates. Five established failure criteria – Maximum Stress, Maximum Strain, Tsai-Hill, Tsai-Wu, and Hashin – are systematically compared for aerospace-representative layups. The Hashin criterion predicts a critical in-plane shear stress 5 % below the Maximum Stress threshold due to the coupled shear-transverse matrix failure mechanism. A three-stage progressive damage model tracking matrix microcracking, interface debonding, and cohesive-zone delamination reproduces ultimate failure loads within 0.5 % of ASTM D3039 experimental values. The findings establish a quantitative case for adopting progressive damage methodologies in aerospace structural certification.