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

Los aviones modernos y los coches de alto rendimiento dependen cada vez más de materiales que son más ligeros y fuertes que el acero, pero enfrentan una vulnerabilidad persistente: el hematoma oculto. Los ingenieros construyen estructuras a partir de capas de polímero reforzado con fibra de carbono, un material compuesto donde fibras increíblemente fuertes se unen mediante una matriz de resina. Estos laminados están diseñados para ser resistentes, pero tienen una debilidad específica cuando son golpeados por una herramienta caída, un resto de escombros en la pista o un pájaro. Un impacto de baja velocidad puede ocurrir a velocidades lo suficientemente lentas como para que la superficie del material parezca perfectamente intacta a simple vista. Sin embargo, bajo ese exterior liso, puede formarse una compleja red de grietas internas, delaminaciones y fibras rotas. Esta condición, conocida como daño por impacto apenas visible, es peligrosa porque roba silenciosamente la resistencia y rigidez de la estructura, lo que podría conducir a una falla mucho tiempo después del impacto inicial. Debido a que inspeccionar cada pulgada cuadrada de un avión o un coche en busca de estos defectos ocultos es lento y costoso, los ingenieros recurren a simulaciones por computadora para predecir exactamente cómo y dónde ocurre este daño antes de que se construya una pieza física.

Un equipo de investigadores de varias instituciones en la India se propuso probar la fiabilidad de dos reglas matemáticas diferentes utilizadas dentro de estas simulaciones por computadora para predecir cómo fallan las capas de fibra de carbono. Utilizaron una potente herramienta de software llamada LS-DYNA para crear un modelo virtual de una placa de fibra de carbono y simular la caída de una pesada bola de acero sobre ella. Los investigadores querían saber si la elección de la regla de falla afectaba el resultado general. Una regla, conocida como el criterio de Chang–Chang, trata la rotura de las fibras y el agrietamiento de la matriz de resina como eventos separados, verificando cada uno de ellos individualmente. La otra, el criterio de Tsai–Wu, combina todos los esfuerzos en un único cálculo unificado para decidir si el material ha fallado. El equipo construyó una placa virtual hecha de veinticuatro capas de fibra de carbono, dispuestas en un patrón específico, y dejó caer una hemisferio rígido de acero que pesaba 1,85 kilogramos sobre ella. Primero calibraron su modelo con datos experimentales del mundo real de un estudio previo, asegurando que su configuración virtual coincidiera con la realidad con una precisión casi perfecta en términos de la fuerza medida durante el impacto y la energía absorbida por la placa.

Una vez validado el modelo, los investigadores realizaron una serie de experimentos controlados en la computadora para ver cómo el cambio en el espesor de la placa o la velocidad del impacto afectaba el resultado. Probaron placas que tenían 5 milímetros y 7 milímetros de espesor, y variaron la energía del impacto desde 10 julios hasta 20 julios. Los resultados mostraron que aumentar el espesor de la placa incrementó significamente la fuerza necesaria para abollarla, casi duplicando la fuerza máxima cuando el espesor aumentó de 5 a 7 milímetros. Las placas más gruesas también absorbieron un poco más de energía, pero el hallazgo más sorprendente fue que las dos diferentes reglas de falla produjeron resultados casi idénticos para el comportamiento global de la estructura. Independientemente de si el software utilizaba la regla de Chang–Chang o la de Tsai–Wu, la fuerza predicha sobre el impactador, la velocidad a la que rebotaba y la energía total absorbida por la placa eran virtualmente las mismas.

Esto sugiere que para los ingenieros que intentan predecir la respuesta global de una estructura —cuánto se dobla, cuánta fuerza siente y cuánta energía absorbe— la elección entre estas dos reglas matemáticas específicas no cambia la respuesta. La diferencia entre los dos métodos parece residir únicamente en los detalles microscópicos de qué tipo de daño ocurre exactamente en un punto específico, como si se rompe una fibra o se forma una grieta en la resina, en lugar del rendimiento macroscópico de la pieza. El estudio confirma que un modelo computacional único y bien validado puede predecir de manera confiable la respuesta al impacto de laminados de fibra de carbono a través de un rango de espesores y energías. Esto proporciona una forma computacionalmente eficiente para que los diseñadores estimen la extensión del daño oculto y construyan estructuras más seguras y resistentes al impacto para aplicaciones aeroespaciales y automotrices, sabiendo que la física fundamental del impacto se captura con precisión independientemente de cuál de estas dos reglas de falla comunes sea seleccionada.