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Deformation Mechanisms of Three-Dimensional Angle-Interlock Preforms

Este artículo presenta un modelo constitutivo hiperelástico desacoplado de múltiples modos, implementado en ABAQUS mediante una subrutina VUMAT, para simular y predecir con precisión el comportamiento de conformado no lineal y anisotrópico y los mecanismos de deformación de preformas de entrelazado angular tridimensional sobre superficies complejas.

Autores originales: Zhenyu Wang, Yifan Zhang, Jiahui Wei, Qiwei Guo, Daijun Zhang, Chao Li, Junjie Hao, Pengfei Jiang, Tianqi Wang, Li Chen

Publicado 2026-08-19

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CC BY 4.0

Autores originales: Zhenyu Wang, Yifan Zhang, Jiahui Wei, Qiwei Guo, Daijun Zhang, Chao Li, Junjie Hao, Pengfei Jiang, Tianqi Wang, Li Chen

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://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 intentar envolver perfectamente una hoja de papel plana alrededor de una pelota de baloncesto. El papel se resiste; quiere permanecer plano y, si lo fuerzas, se arruga o se rompe. Ahora imagina que esa hoja no es de papel, sino una tela gruesa y pesada hecha de miles de fibras de carbono entrelazadas, diseñada para convertirse en el esqueleto de un motor de avión o de una nave espacial. Este material es increíblemente fuerte, pero lograr que tome formas curvas y complejas sin fallar es uno de los desafíos más difíciles de la ingeniería moderna. La tela no es una sola pieza sólida; es una rejilla de hilos que pueden deslizarse, rotar y doblarse, pero solo de formas específicas. Si los hilos se atascan o se fuerzan a una forma que no pueden manejar, la pieza final será débil o quedará arruinada. Los ingenieros necesitan saber exactamente cómo se comportará esta tela antes de siquiera cortar el material, pero predecir su movimiento es como intentar pronosticar el clima para un solo grano de arena en una tormenta.

Un equipo de investigadores de la Universidad TianGong y varios socios industriales en China han dado un paso significativo hacia la resolución de este enigma. Se centraron en un tipo específico de tela llamado preforma de entrelazado angular tridimensional. A diferencia de la tela ordinaria, que es plana, este material está tejido de modo que los hilos corren no solo de izquierda a derecha y de adelante hacia atrás, sino también de arriba abajo a través del grosor de la tela. Esto crea una estructura sólida e interconectada que es mucho más resistente a desmoronarse que los materiales laminados estándar. Los investigadores querían entender exactamente cómo se deforma esta tela tridimensional gruesa cuando se presiona sobre una superficie curva, un proceso conocido como conformado. Para lograrlo, no se limitaron a suponer o confiar en reglas empíricas simples. En su lugar, construyeron un sofisticado modelo digital que imita la física de la tela, tratándola como un material único y continuo que puede estirarse, comprimirse y retorcerse de formas complejas.

El equipo comenzó probando la tela real en un laboratorio para ver cómo reaccionaba ante diferentes fuerzas. La estiraron para ver cuánto se expandía, la comprimieron desde arriba para ver cuánto se comprimía y la retorcieron para ver cómo los hilos rotaban entre sí. Descubrieron que la tela se comporta de manera muy diferente dependiendo de la dirección de la fuerza. Cuando se estira, los hilos se enderezan y se vuelven rígidos. Cuando se comprime, los diminutos espacios entre los hilos se cierran y el material se vuelve más difícil de comprimir. Cuando se retuerce, los hilos se deslizan unos sobre otros, pero solo hasta cierto punto, tras el cual se bloquean y resisten cualquier movimiento posterior. Al medir estas reacciones cuidadosamente, los investigadores identificaron los números específicos necesarios para describir el comportamiento de la tela. Luego, introdujeron estos números en un programa informático, creando una versión virtual de la tela que podía ser probada en un entorno simulado.

Para comprobar si su modelo digital era preciso, los investigadores realizaron un experimento en el mundo real. Tomaron un trozo cuadrado de la tela de fibra de carbono y lo presionaron contra un domo hemisférico, de forma muy similar a presionar una tela plana sobre la parte superior de un cuenco. Observaron de cerca cómo se movía la tela, cuánta fuerza se requería para empujarla hacia abajo y cómo se desplazaban los hilos. Compararon estas observaciones del mundo real con los resultados de su simulación por computadora. La coincidencia fue notablemente cercana. El modelo predijo correctamente la cantidad de fuerza necesaria para conformar la forma, con una pequeña diferencia de solo un 15 por ciento en la fuerza máxima. Más importante aún, mostró con precisión dónde se retorcía la tela y cómo rotaban los hilos. En el experimento real, la tela se retorció más en el área donde el borde plano se encontraba con el domo curvo, alcanzando un ángulo de torsión máximo de unos 37 grados. El modelo computacional predijo un máximo de 34 grados en ese mismo lugar, confirmando que la herramienta digital podía ver lo que estaba sucediendo dentro del material.

El estudio reveló que la principal forma en que esta tela se adapta a una forma curva es mediante la rotación de los hilos entre sí dentro del plano de la tela. Esto se denomina cizalladura en el plano. A medida que la tela se empuja sobre la curva, la cuadrícula cuadrada de hilos se convierte en una forma de diamante, permitiendo que el material cubra la superficie sin estirar los hilos en sí mismos. Sin embargo, los investigadores también descubrieron un movimiento secundario tridimensional. En la zona de transición donde la curva cambia más bruscamente, los hilos también se doblan ligeramente hacia arriba y hacia abajo a través del grosor de la tela. Este movimiento fuera del plano ayuda a la tela a conformarse a las partes más cerradas de la curva, actuando como una bisagra que permite que el material se asiente en la forma de manera más suave. Sin este sutil doblado, la tela probablemente se arrugaría o no alcanzaría la superficie de la herramienta.

El equipo también probó qué sucedería si comenzaran con los hilos orientados en una dirección diferente. Descubrieron que cambiar el ángulo inicial de los hilos no cambiaba cuánto podía retorcerse la tela en su totalidad, pero sí cambiaba dónde ocurría el retorcimiento. Si los hilos estaban alineados con los bordes del molde, el retorcimiento se concentraba en las esquinas. Si los hilos estaban rotados, el área de máximo retorcimiento se desplazaba siguiendo la nueva dirección de los hilos. Esto significa que los ingenieros pueden controlar dónde se deforma más la tela simplemente cambiando la forma en que colocan el material antes de presionarlo. Este conocimiento es crucial para diseñar piezas que necesiten ser fuertes en direcciones específicas. Los investigadores concluyeron que su nuevo modelo proporciona una forma fiable de simular estos complejos procesos de conformado, ofreciendo un camino claro para optimizar la forma en que se moldean estos materiales avanzados para la próxima generación de aeronaves y vehículos de alto rendimiento.

Resumen Técnico: Mecanismos de Deformación de Preformas de Entrelazado Angular Tridimensional

Planteamiento del Problema
Las preformas de entrelazado angular tridimensional (3D) son refuerzos críticos para aplicaciones aeroespaciales, marinas y de defensa debido a su superior refuerzo a través del espesor y su resistencia a la delaminación en comparación con los laminados 2D. Sin embargo, la conformación de estas preformas sobre superficies de doble curvatura complejas induce comportamientos de deformación no lineales, anisotrópicos y acoplados significativos. Los enfoques de modelado numérico existentes enfrentan un compromiso: los modelos cinemáticos (por ejemplo, redes de Chebyshev) carecen de la predicción de la respuesta mecánica intrínseca, mientras que los modelos mesoscópicos discretos (elementos de viga/resorte) son computacionalmente prohibitivos para componentes de gran escala. Los modelos continuos macroscópicos, particularmente aquellos basados en la hipoelasticidad, a menudo sufren de problemas de estabilidad numérica o respuestas no físicas dependiendo de la tasa de esfuerzo objetiva. Existe la necesidad de un modelo constitutivo macroscópico, termodinámicamente consistente y computacionalmente eficiente, capaz de predecir con precisión el comportamiento de grandes deformaciones de las preformas tejidas en 3D durante procesos de conformación complejos.

Metodología
El estudio establece un marco constitutivo hiperelástico anisotrópico desacoplado de modo múltiple para simular la conformación de una preforma de entrelazado angular 3D de sarga 1/3.

Marco Teórico: Basado en la hiperelasticidad de deformación finita, el modelo utiliza tensores estructurales e invariantes mixtos derivados del tensor de deformación de Cauchy-Green derecha ( $C$ ) y vectores de dirección del material. La función de densidad de energía de deformación total ( $\psi$ ) se descompone en cuatro modos fundamentales y desacoplados: tensión de urdimbre/trama, compresión a través del espesor, cizalladura en el plano y cizalladura fuera del plano.
Caracterización de Materiales: Se realizaron experimentos en preformas de fibra de carbono TG800HX-12K para caracterizar las respuestas mecánicas bajo tensión uniaxial, compresión transversal, extensión sesgada (cizalladura en el plano) y cizalladura fuera del plano.
Identificación de Parámetros: Los datos experimentales de carga-desplazamiento se convirtieron en densidades de energía de deformación. Se ajustaron funciones polinómicas a estas respuestas de energía para identificar los parámetros de material para el modelo constitutivo.
Implementación: El modelo se implementó en ABAQUS/Explicit mediante una subrutina de material de usuario VUMAT.
Validación: El modelo se validó mediante experimentos de conformación hemisférica utilizando una preforma de 300 mm × 300 mm. Las métricas de validación incluyeron respuestas macroscópicas de carga-desplazamiento, distribuciones de ángulo de cizalladura en el plano, contornos de entrada de bordes (draw-in) y características de cizalladura fuera del plano.

Contribuciones Clave

Desarrollo del Modelo Constitutivo: El artículo propone un modelo hiperelástico desacoplado de modo múltiple diseñado específicamente para arquitecturas de entrelazado angular 3D. Formula explícitamente funciones de energía de deformación para tensión, compresión de espesor, cizalladura en el plano y cizalladura fuera del plano utilizando invariantes físicos, asegurando la consistencia termodinámica.
Integración Experimental-Computacional: El estudio proporciona un conjunto de datos exhaustivo de caracterización mecánica para preformas de entrelazado angular 3D y demuestra un flujo de trabajo robusto para la identificación de parámetros constitutivos a partir de estas pruebas.
Análisis de los Mecanismos de Deformación: La investigación elucida los roles específicos de los diferentes modos de deformación durante la conformación compleja, distinguiendo entre los mecanismos dominantes de cizalladura en el plano y los efectos localizados de cizalladura fuera del plano.
Sensibilidad de la Orientación: El estudio investiga la influencia de la orientación inicial de los hilos ([0°/90°], [±45°] y asimétrica [30°/−60°]) en la distribución espacial de los campos de cizalladura y la evolución del contorno del borde.

Resultos

Precisión del Modelo: El modelo constitutivo predijo con éxito el comportamiento de conformación con un error relativo del 15.2% en la carga máxima y del 6.3% en el ángulo de cizalladura máximo a lo largo de la trayectoria de 45° en el lado convexo. Reprodujo con precisión la respuesta no lineal de carga-desplazamiento y la dependencia direccional de la entrada de bordes.
Modos de Deformación:
- Cizalladura en el plano: Identificada como el modo de deformación dominante para acomodar superficies de doble curvatura. El ángulo de cizalladura en el plano máximo alcanzó los 37.4°, concentrándose en la región de transición de la curvatura entre el área de contacto del punzón y la pestaña.
- Cizalladura fuera del plano: Aunque generalmente de menor magnitud (máx. ~17.5°), se encontró que la cizalladura fuera del plano es crítica en las zonas de transición de curvatura, facilitando la conformidad superficial local mediante la deflexión de los hilos a través del espesor.
Efectos de la Orientación de los Hilos: Cambiar la orientación inicial de los hilos alteró significamente la distribución espacial de las regiones de alta cizalladura y la evolución del contorno del borde. Sin embargo, la magnitud del ángulo de cisalladura máximo permaneció relativamente inafectada por los cambios de orientación. Las orientaciones asimétricas ([30°/−60°]) indujeron distribuciones de cizalladura no uniformes y torsión del borde.

Significancia
El artículo afirma que el modelo hiperelástico desacoplado de modo múltiple establecido proporciona una referencia fiable para la simulación de conformación y la optimación de procesos de preformas tejidas en 3D sobre superficies complejas. Al capturar con precisión el comportamiento mecánico no lineal y la interacción de los diferentes modos de deformación, el modelo permite el diseño de orientaciones de hilos para regular las concentraciones de deformación local. Los autores señalan que, si bien el enfoque desacoplado actual es efectivo, el trabajo futuro se centrará en desarrollar un modelo constitutivo acoplado para considerar las interacciones entre los modos de tensión, compresión y cizalladura para una caracterización aún más precisa.

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