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Experimental characterization of cohesive laws for mode-II interlaminar fracture in geometrically scaled composites using through-thickness deformation analysis

Este trabajo propone y valida un marco experimental basado en análisis de deformación a través del espesor y correlación digital de imágenes para caracterizar leyes cohesivas de fractura interlaminar en modo II en composites escalados, demostrando que una única ley cohesiva puede representar las propiedades del material y capturar tanto el comportamiento global como local, a pesar de las limitaciones observadas en la comparación con análisis de tamaño y mediciones experimentales.

Autores originales: Han-Gyu Kim, Ryan Howe, Richard Wiebe, S. Michael Spottswood, Patrick J. O'Hara, Marco Salviato

Publicado 2026-02-18

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CC BY 4.0

Autores originales: Han-Gyu Kim, Ryan Howe, Richard Wiebe, S. Michael Spottswood, Patrick J. O'Hara, Marco Salviato

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que los aviones modernos, como el Boeing 787 o el F-35, están construidos con "pancakes" de capas de fibra de carbono y resina. Son increíblemente ligeros y fuertes, pero tienen un punto débil: si se doblan demasiado, esas capas pueden empezar a separarse entre sí, como si las hojas de un libro se despegaran. A esto los ingenieros le llaman fractura interlaminar.

Este artículo es como un manual de detectives para entender exactamente cómo y cuándo ocurre esa separación, y cómo predecirla antes de que el avión se rompa.

Aquí tienes la explicación de lo que hicieron, usando analogías sencillas:

1. El Problema: El tamaño importa (y mucho)

Los científicos probaron muestras de este material en tres tamaños diferentes: pequeño (como un dedo), mediano (como una mano) y grande (como un brazo).

La trampa: Cuando midieron cuánta energía necesitaba el material para romperse, obtuvieron resultados diferentes para cada tamaño. ¡El material parecía tener "fuerzas" distintas según el tamaño de la muestra!
La analogía: Imagina que tienes tres globos de diferentes tamaños hechos del mismo látex. Si intentas medir cuánta fuerza necesitas para reventarlos, el pequeño podría parecer más fuerte que el grande, o viceversa, dependiendo de cómo mides. En ingeniería, esto es un problema porque el material debería tener una "fuerza" única, no variable.

2. La Solución: Una lupa gigante y una regla matemática

Para resolver esto, los investigadores usaron dos herramientas principales:

La "Lupa Digital" (DIC): Usaron cámaras especiales, algunas microscópicas (para ver detalles tan pequeños como un cabello) y otras macroscópicas (para ver la muestra entera). Estas cámaras no solo toman fotos, sino que siguen cada punto de la superficie mientras se estira, como si pusieran miles de puntos de pintura en la muestra y vigilaran cómo se mueven.
La "Regla de Bažant": Usaron una fórmula matemática (la Ley de Escala de Bažant) que actúa como un traductor. Esta regla ayuda a corregir los datos para decirnos: "Oye, aunque el tamaño cambie, la verdadera fuerza del material es esta".

3. El Descubrimiento: La "Zona de Peligro"

Lo más interesante que encontraron es que antes de que el material se rompa por completo, hay una Zona de Proceso de Fractura (FPZ).

La analogía: Imagina que vas a romper una barra de chocolate. Antes de que se parta de golpe, la barra se agrieta un poco, se dobla y se debilita en una zona específica. Esa zona es la FPZ.
El hallazgo: Descubrieron que en las muestras pequeñas, esta zona de "debilitamiento previo" es muy corta. En las muestras grandes, es mucho más larga. Además, en las muestras pequeñas, el material no llega a "estirarse" tanto antes de romperse; se queda a medio camino. Es como si en las muestras pequeñas, el material no tuviera tiempo de "prepararse" para la rotura completa.

4. El Reto: Encontrar la "Receta Maestra"

El objetivo final era encontrar una única "receta" (Ley Cohesiva) que describiera cómo se rompe este material, sin importar el tamaño de la muestra.

El intento inicial: Al principio, crearon una receta diferente para cada tamaño de muestra. Funcionaba bien para predecir cuándo se rompería esa muestra específica, pero fallaba estrepitosamente si intentabas usar la receta del "gigante" en la muestra "pequeña".
La receta única: Luego, intentaron crear una sola receta para todos los tamaños.
- El resultado: Esta receta única fue muy buena prediciendo el comportamiento general (cuándo se rompe y cómo cae la carga), especialmente para la muestra de tamaño medio.
- El detalle: Sin embargo, la receta única no pudo predecir exactamente cuán grande era la "zona de debilitamiento" (FPZ) en las pruebas reales. Fue como si la receta dijera: "Se romperá en este momento", pero no pudo predecir exactamente cuánto se doblaría la barra justo antes de romperse.

5. ¿Por qué es importante esto?

Hoy en día, los ingenieros usan computadoras para simular cómo se romperán los aviones en caso de un accidente o una tormenta. Si usan las reglas antiguas (que asumen que el material es perfecto y rígido), sus simulaciones pueden fallar.

Este trabajo les da una nueva herramienta: un método para medir con lupa cómo se separan las capas y una forma de crear una simulación por computadora que sea más realista. Ahora pueden decir: "Sabemos exactamente cómo se comporta este material, incluso si cambiamos el tamaño de la pieza".

En resumen

Los investigadores usaron cámaras súper potentes y matemáticas avanzadas para entender cómo se separan las capas de los materiales compuestos de los aviones. Descubrieron que el tamaño de la pieza cambia cómo se rompe, pero lograron crear un modelo matemático único que, aunque no es perfecto en todos los detalles, es mucho mejor para predecir el desastre antes de que ocurra. Es como pasar de adivinar cuándo se romperá un puente a tener un mapa exacto de sus puntos débiles.

Aquí presento un resumen técnico detallado del artículo en español, estructurado según los puntos solicitados:

Título: Caracterización experimental de leyes cohesivas para la fractura interlaminar en modo II en composites geométricamente escalados mediante análisis de deformación a través del espesor.

1. Planteamiento del Problema

El diseño de aeronaves modernas utiliza extensamente materiales compuestos para estructuras primarias. Sin embargo, estas estructuras están sujetas a entornos extremos (acoplamientos aerotérmicos) que pueden provocar estrés interno y fallos interlaminares en modo II (cortante).

Limitación de la Mecánica de Fractura Elástica Lineal (LEFM): Los métodos tradicionales, como la calibración de la complianza (norma ASTM D7905), asumen que la energía de fractura es una propiedad material única. Sin embargo, estudios previos han demostrado que en materiales cuasi-frágiles como los compuestos, estos métodos arrojan valores de energía de fractura que aumentan con el tamaño de la muestra, lo cual contradice la naturaleza intrínseca de las propiedades materiales.
Desafío en la Modelización: Los modelos de zona cohesiva (CZM) requieren una única ley de tracción-separación (propiedad del material) para ser válidos. Caracterizar esta ley directamente a partir de datos experimentales es difícil debido a la propagación inestable de grietas en modo II y a la necesidad de capturar la evolución del daño a escala microscópica.
Objetivo: Desarrollar un marco experimental para caracterizar una ley cohesiva única que incorpore el efecto de tamaño en la fractura cuasi-frágil, utilizando especímenes escalados geométricamente.

2. Metodología

El estudio se basó en una combinación de ensayos experimentales avanzados, análisis de datos y simulaciones numéricas.

Muestras y Escalamiento: Se fabricaron especímenes de flexión de extremo entallado (ENF) utilizando el sistema de prepreg Toray T700G/2510. Se crearon tres niveles de escala geométrica (Tamaño 1, 2 y 3) manteniendo el ancho constante y escalando el espesor, la longitud de calibración y la longitud de la grieta inicial.
Instrumentación DIC (Correlación Digital de Imágenes):
- Se utilizaron dos sistemas DIC para capturar la deformación: un sistema microscópico 2D para los especímenes pequeños (Tamaños 1 y 2) para obtener alta resolución cerca de la punta de la grieta, y un sistema macroscópico 3D para el especímen grande (Tamaño 3).
Procesamiento de Datos (3 Pasos Clave):
1. Transformación de Coordenadas: Rotación de los datos de desplazamiento desde el sistema de coordenadas geométrico global ( $x, z$ ) al sistema de coordenadas del material local ($1, 3$) para alinearse con la dirección de las fibras y el plano de fractura.
2. Ajuste de Curvas (Curve Fitting): Aplicación de polinomios de cuarto orden a los datos transformados para reducir el ruido y suavizar las variaciones, permitiendo un análisis preciso de los desplazamientos a través del espesor.
3. Análisis de Deformación a Través del Espesor: Extrapolación de los desplazamientos en el plano ( $u_1$ ) a través del espesor ( $z$ ) para estimar la separación real entre capas ( $\Delta u$ ), diferenciando entre la tracción superficial (pintura) y la separación real de la grieta.
Análisis de Efecto de Tamaño: Se aplicó la Ley de Efecto de Tamaño Tipo II de Bažant a los datos de carga-desplazamiento para determinar una energía de fractura única ( $G_f$ ) y el tamaño efectivo de la zona de proceso de fractura (FPZ).
Modelado Numérico: Se realizaron simulaciones en Abaqus utilizando diferentes leyes cohesivas (lineal, bilineal, trapezoidal) para validar el marco experimental y probar la existencia de una ley única.

3. Contribuciones Clave

Marco Experimental Novel: Propuesta de un flujo de trabajo de tres pasos (transformación, ajuste, análisis a través del espesor) para extraer leyes cohesivas directamente de datos DIC, evitando ecuaciones analíticas complejas.
Validación del Efecto de Tamaño: Demostración experimental de que la energía de fractura calculada por métodos LEFM depende del tamaño, mientras que la Ley de Bažant proporciona un valor único de energía de fractura material.
Caracterización de la Zona de Proceso de Fractura (FPZ): Capacidad para medir experimentalmente el tamaño de la FPZ y la magnitud de la separación en diferentes escalas, revelando que las muestras más pequeñas experimentan un desarrollo parcial de la ley cohesiva en la carga de fractura.
Desafío de la Ley Única: Exposición de la dificultad de encontrar una única ley cohesiva que coincida simultáneamente con los datos de carga-desplazamiento y las mediciones locales de separación para todas las escalas, sugiriendo que la ley "única" puede requerir ajustes para capturar el comportamiento local parcial.

4. Resultados Principales

Comportamiento Global: La energía de fractura basada en LEFM ( $G_{f,LEFM}$ ) aumentó con el tamaño del especímen. La aplicación de la Ley de Bažant resultó en una energía de fractura única de 1.347 N/mm y un tamaño de FPZ efectivo de 7.126 mm.
Comportamiento Local (Mediciones DIC):
- Se observó que la separación máxima ( $\Delta u_{max}$ ) y el tamaño de la FPZ aumentaron con el tamaño del especímen (ej. $\Delta u_{max}$ fue de ~6.9 $\mu$ m en el Tamaño 1 vs. ~25.5 $\mu$ m en el Tamaño 3).
- Esto indica que en especímenes más pequeños, la fractura ocurre antes de que la zona cohesiva se desarrolle completamente (desarrollo parcial).
Simulaciones con Leyes Individuales: Los modelos calibrados con datos específicos de cada tamaño coincidieron perfectamente con los datos experimentales de ese tamaño, pero fallaron al predecir el comportamiento de los otros tamaños, confirmando que los parámetros dependían de la geometría en ese enfoque.
Simulaciones con Ley Cohesiva Única: Se propuso una ley cohesiva bilineal única.
- Éxito: Capturó bien el comportamiento post-pico (caída de carga) y las separaciones locales parciales en las muestras pequeñas, coincidiendo con las mediciones microscópicas de $\Delta u$ .
- Limitación: La energía de fractura de esta ley única (0.72 N/mm) fue menor que la obtenida por el análisis de tamaño (1.347 N/mm). Además, el tamaño de la FPZ simulado fue significativamente menor que el medido experimentalmente.
- Desempeño Global: La ley única coincidió bien con el especímen de tamaño medio, pero sobreestimó la carga máxima en el pequeño y la subestimó en el grande.

5. Significado e Implicaciones

Este trabajo es fundamental para el avance en la modelización de daños en composites estructurales de alta velocidad.

Validación de Propiedades Materiales: Confirma que la energía de fractura es una propiedad material única, pero su caracterización experimental requiere métodos que consideren el efecto de tamaño (como la Ley de Bažant) y no solo la LEFM.
Mejora de Modelos de Daño: Proporciona un método robusto para obtener datos de entrada (separación y tracción) para los modelos de zona cohesiva (CZM) a partir de datos experimentales reales, superando las limitaciones de los métodos tradicionales.
Comprensión del Comportamiento Cuasi-frágil: Ilustra que en materiales cuasi-frágiles, el tamaño de la muestra afecta la evolución del daño. Las muestras pequeñas pueden no alcanzar el desarrollo completo de la zona cohesiva antes de la falla, lo que explica las discrepancias en la caracterización de leyes únicas.
Futuro: El estudio señala la necesidad de investigar el impacto de las tensiones paralelas a la grieta y las deformaciones plásticas locales para refinar las leyes cohesivas únicas y mejorar la precisión de las simulaciones en estructuras reales.

En resumen, el artículo establece un nuevo estándar para la caracterización experimental de la fractura interlaminar en modo II, demostrando que, aunque es posible definir una ley cohesiva material única, su implementación en modelos numéricos debe considerar cuidadosamente el desarrollo parcial de la zona de daño en función del tamaño de la estructura.