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Stacking sequence effects on progressive intralaminar damage in open-hole auxetic and conventional hybrid composite laminates

Este estudio demuestra que los laminados compuestos híbridos auxéticos con coeficientes de Poisson negativos diseñados exhiben una tolerancia al daño y una capacidad de carga post-pico superiores en comparación con los laminados convencionales al promover una evolución del daño gradual y espacialmente distribuida en lugar de una localización rápida alrededor de agujeros abiertos.

Autores originales: Hossein Hosseini-Toudeshky, Sina Esmaeili Yengejeh, Azizollah Navaei

Publicado 2026-11-05

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CC BY 4.0

Autores originales: Hossein Hosseini-Toudeshky, Sina Esmaeili Yengejeh, Azizollah Navaei

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

La ingeniería moderna depende en gran medida de los materiales compuestos, que son esencialmente capas de fibras fuertes pegadas con una resina pegajosa para crear estructuras que sean tanto ligeras como increíblemente resistentes. Estos materiales son la columna vertebral de todo, desde las alas de los aviones hasta las palas de los aerogeneradores. Sin embargo, las estructuras del mundo real no pueden ser láminas sólidas y perfectas; requieren agujeros para pernos, remaches o puertos de inspección. Estos agujeros actan como puntos débiles donde se concentra el estrés, lo que a menudo provoca que el material se agriete y falle mucho antes de lo esperado. Durante décadas, los ingenieros han intentado resolver esto mezclando diferentes tipos de fibras o cambiando el orden en el que se apilan las capas. Un enfoque más nuevo y poco convencional consiste en diseñar el material para que se comporte de una manera contraintuitiva: cuando se tira de él longitudinalmente, se vuelve más grueso en lugar de más delgado. Este comportamiento inusual se denomina "auxético", y surge de una disposición geométrica específica de las capas que hace que el material se expanda lateralmente al estirarse.

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Amirkabir se propusieron ver si este extraño comportamiento de expansión podía realmente ayudar a que una pieza compuesta perforada sobreviviera mejor que una estándar. Construyeron dos conjuntos de paneles de prueba que eran idénticos en todo sentido, excepto en el orden de sus capas. Ambos conjuntos utilizaban la misma mezcla de fibras de carbono y vidrio, el mismo espesor y la misma cantidad de resina. La única diferencia era el ángulo en el que se colocaba cada capa. Un conjunto se dispuso en un patrón convencional que se comportaba normalmente, mientras que el otro se dispuso en una secuencia específica para crear ese efecto auxético de expansión lateral. Ambos conjuntos tenían un agujero perforado en el centro para simular un punto de sujeción real. El equipo tiró de estos paneles hasta que se rompieron, mientras realizaba simultáneamente simulaciones computacionales detalladas para rastrear exactamente cómo comenzaba y se propagaba el daño a través de las diminutas capas del material.

Los resultados revelaron un intercambio fascinante. Los paneles convencionales resistieron durante más tiempo antes de mostrar su primera señal de problemas, pero una vez que finalmente se agrietaron, el daño se propagó de forma rápida y catastrófica. En contraste, los paneles auxéticos mostraron signos de grietas internas mucho antes en el proceso. Sin embargo, esta advertencia temprana no era un signo de debilidad, sino un signo de una estrategia de supervivencia diferente. En lugar de que una sola grieta recorriera rápidamente el material para causar un estallido repentino, el daño en los paneles auxéticos se propagó de forma lenta y uniforme a través de un área más amplia. Esta distribución gradual del estrés permitió que los paneles auxéticos siguieran soportando peso incluso después de haber fallado técnicamente. Cuando los paneles convencionales alcanzaron su punto de ruptura, perdieron casi toda su resistencia de inmediato, reteniendo menos del diez por ciento de su carga máxima. Los paneles auxéticos, sin embargo, lograron mantener casi el veinte por ciento de su resistencia máxima incluso después de la falla inicial, ofreciendo un final mucho más elegante y predecible.

Al observar de cerca los modelos computacionales, los investigadores pudieron ver exactamente por qué sucedió esto. En los paneles convencionales, el daño tendía a concentrarse fuertemente en las capas orientadas a noventa grados respecto al tirón, creando una línea débil que se rompía rápidamente. En los paneles auxéticos, el daño comenzaba en las capas anguladas a diez grados y se propagaba progresivamente a través de las otras capas de una manera más equilibrada. Este comportamiento evitaba que el estrés se acumulara en un punto específico, retrasando eficazmente el colapso total de la estructura. El equipo también observó que, si bien el diseño auxético era superior al mantener la carga después de la ruptura inicial, sí sufría de una debilidad específica: los cambios bruscos de ángulo entre las capas hacían que las láminas fueran más propensas a separarse entre sí, un problema conocido como delaminación, que no fue capturado completamente en sus modelos computacionales.

En última instancia, el estudio sugiere que disponer las capas compuestas para crear este efecto auxético puede mejorar significamente la forma en que una estructura maneja el daño alrededor de los agujeros. Si bien el material puede empezar a mostrar grietas internas antes, lo hace de una manera que evita un fallo repentino y total. Esto significa que, para aplicaciones críticas como las juntas de aviones o los componentes de puentes, el uso de estas secuencias de apilamiento especiales podría proporcionar un margen de seguridad crucial, permitiendo que una estructura permanezca funcional y segura incluso después de haber sido dañada. Los hallazgos apuntan hacia un futuro donde la forma en que apilamos los materiales es tan importante como los materiales mismos, ofreciendo una nueva herramienta para que los ingenieros diseñen estructuras que no solo sean fuertes, sino también resilientes.

Resumen Técnico: Efectos de la Secuencia de Apilamiento en el Daño Intralaminar Progresivo en Laminados Compuestos Híbridos Auxéticos y Convencionales con Agujero Abierto

Planteamiento del Problema
Los laminados de polímero reforzado con fibra (FRP) se utilizan ampliamente en la ingeniería ligera, pero son susceptibles a concentraciones de esfuerzo severas alrededor de discontinuidades geométricas como agujeros y recortes. Estas concentraciones de esfuerzo aceleran la iniciación del daño y la propagación de grietas, reduciendo signific적으로 la capacidad de carga estructural. Si bien la hibridación (combinando fibras de carbono y de vidrio) y el ajuste del coeficiente de Poisson (específicamente utilizando un coeficiente de Poisson negativo o comportamiento "auxético") se han propuesto para mejorar la tolerancia al daño, estudios previos se han centrado principalmente en respuestas mecánicas globales (p. ej., resistencia máxima, rigidez, pandeo). Existe una laguna en la comprensión detallada de la secuencia a nivel de capa del inicio del daño, la interacción entre los modos de falla dominados por la fibra y la matriz, y la evolución del fallo post-pico en laminados híbridos perforados con arquitecturas auxéticas diseñadas.

Metodología
Este estudio emplea un enfoque combinado experimental y numérico para aislar la influencia de la secuencia de apilamiento en el daño intralaminar progresivo. Se fabricaron dos configuraciones de laminado híbrido (epoxi de carbono/vidrio) con materiales constituyentes, fracciones de volumen de fibra (~43%) y espesor idénticos, que diferían únicamente en sus secuencias de apilamiento:

Laminado Auxético: Secuencia de apilamiento [10/80/10/70/70/10/80/10], que exhibe un coeficiente de Poisson negativo ( $\nu$ experimental $\approx -0.15$ ).
Laminado Convencional: Secuencia de apilamiento [10/45/-45/90/90/-45/45/10], que exhibe un coeficiente de Poisson positivo ( $\nu$ experimental $\approx +0.14$ ).

Caracterización Experimental:

Se probaron especímenes unidireccionales y de cruz estándar de acuerdo con las normas ASTM D3039 y D3410 para determinar las propiedades mecánicas (módulos, resistencias) y las energías de fractura.
Se realizaron ensayos de tracción con agujero abierto en los laminados híbridos perforados para obtener curvas de carga-desplazamiento y modos de falla.
Se extrajeron parámetros de daño, incluyendo energías de fractura ( $G_{ft}, G_{fc}, G_{mt}, G_{mc}$ ), a partir de las curvas de esfuerzo-desplazamiento.

Modelado Numérico:

Se desarrolló un modelo de elementos finitos (FEM) 3D en ABAQUS utilizando elementos de cáscara (shell).
Se implementó una formulación de daño progresivo basada en Hashin para simular cuatro modos de falla intralaminar: tensión de fibra, compresión de fibra, tensión de matriz y compresión de matriz.
El modelo utilizó una malla de 10,800 elementos (validada mediante un estudio de independencia de malla) e incorporó la eliminación de elementos para simular la degradación de la rigidez.
Las predicciones numéricas fueron validadas contra los datos experimentales de carga-desplazamiento y los patrones de fractura observados.

Resultados Clave

Iniciación del Daño: El laminado auxético exhibió una iniciación de daño por tensión de matriz más temprana (a un desplazamiento de ~~0.54 mm) en comparación con el laminado convencional (~~0.99 mm). Sin embargo, la configuración auxética demostró una evolución de daño más gradual y espacialmente distribuida.
Mecanismos de Falla:
- Auxético: La falla se inició en las capas de ángulo bajo (10°) e intermedio (70°). El daño se propagó progresivamente a través del espesor del laminado, evitando la localización inmediata.
- Convencional: El daño estuvo dominado por una localización rápida en las capas de 90°, lo que condujo a una degradación estructural súbita.
Desempeño Post-Pico: El laminado auxético logró una capacidad de carga aproximadamente un 7.5% mayor que el laminado convencional. Crucialmente, tras la falla catastrófica, el laminado auxético retuvo casi el 20% de su carga máxima, mientras que el laminado convencional retuvo menos del 10%.
Precisión del Modelo: El modelo FEM basado en Hashin reprodujo con éxito los patrones de falla cualitativos, los ángulos de fractura y la localización del daño observados experimentalmente. Las discrepancias cuantitativas en el esfuerzo máximo (error de aprox. 23–26%) se atribuyeron a la delaminación interlaminar no modelada e imperfecciones de fabricación, las cuales fueron más pronunciadas en los especímenes auxéticos debido a los grandes desajustes en los ángulos de las capas.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona una comprensión integral de cómo las arquitecturas de apilamiento auxético influyen en los mecanismos de daño progresivo en compuestos híbridos perforados. La significancia principal radica en demostrar que, si bien las configuraciones auxéticas pueden desencadenar una fractura de matriz más temprana, alteran fundamentalmente la trayectoria de evolución del daño para que sea más controlada y distribuida. Este comportamiento reduce las concentraciones de esfuerzo abruptas alrededor de los agujeros y retrasa el colapso catastrófico, mejorando así la sostenibilidad de la carga post-pico.

El artículo concluye que la incorporación de secuencias de apilamiento auxéticas es una estrategia prometedora para mejorar la tolerancia al daño en estructuras compuestas híbridas perforadas, tales como uniones mecánicas sujetas y recortes. No obstante, los autores señalan modestamente que el modelo intralaminar actual no captura la delaminación interlaminar, la cual fue observada experimentalmente y puede limitar el desempeño de los laminados auxéticos con grandes desajustes de ángulos de capa. Se sugiere como trabajo futuro incluir el modelado de zona cohesiva y el análisis de carga cíclica e impacto.

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