1.Resumen

En los últimos años, los globos aéreos de alta altitud (HAA) han ofrecido una plataforma económica para la observación de la Tierra, las comunicaciones y la exploración espacial, lo que ha generado un amplio interés en el estudio de los materiales de su carcasa. Aunque la resistencia uniaxial de estos materiales ya se utiliza ampliamente, aún no existe un método de prueba capaz de medir con precisión su resistencia biaxial. En estudios anteriores, debido al fuerte efecto de concentración de tensiones, la falla de las muestras suele producirse en zonas no centrales. Dado que el campo de tensión biaxial solo aparece en la zona central de prueba, el patrón de fractura descrito anteriormente no puede describir las características de la ruptura del material bajo condiciones de tensión biaxial.

En 2018, la revista *Composite Structures* publicó un estudio de la Universidad Jiaotong de Shanghái sobre la resistencia biaxial de materiales compuestos tejidos para cápsulas de dirigibles. El artículo realizó ensayos uniaxiales y biaxiales 1:1 con tres materiales de cápsula HAA, obtuvo las curvas carga-desplazamiento y, mediante la captura de imágenes con cámara de alta velocidad, identificó los patrones de fallo. Se observó que, al alcanzar el límite de resistencia, el material sufre rotura por grieta única o por grietas cruzadas. Asimismo, mediante simulaciones por elementos finitos, se ajustó el modelo y se determinó la ley de fallo del material compuesto de la cápsula, lo que permitió inferir la curva de fallo en el primer cuadrante.

2.Método de prueba

2.1 Material

Para cumplir con diversos requisitos de rendimiento, el material del cápsulo suele presentar una estructura microscópica compleja.

Los materiales compuestos de tejidos suelen formarse mediante el laminado de múltiples capas de películas. La capa portante está compuesta por hilos longitudinales (Yarns longitudinales) y hilos transversales (Yarns transversales), entrelazados entre sí. En las superficies interna y externa de esta capa portante se distribuyen varias capas funcionales que desempeñan funciones de protección, entre otras.

Figura 1: Estructura típica del saco de un dirigible aéreo

Tabla 1 Propiedades del material del saco de dirigible

2.2 Diseño de la muestra uniaxial

Según la norma ISO 1421, el espesor de la muestra uniaxial es de 600 mm y su ancho de 50 mm. En ambos extremos de la muestra se incluye una zona de sujeción de 200 mm para garantizar un agarre adecuado.

Se fabricaron seis muestras de prueba por material (tres longitudinales y tres transversales) y se realizaron los ensayos utilizando la máquina de ensayo SANSI-UTM-4000.

Figura 2: Muestra y máquina de ensayo para ensayos uniaxiales

2.3 Diseño de muestras biaxiales

Se consideraron muestras de las formas (a) y (b).

(a) Es un bolsillo de aire formado por la unión de dos láminas de material compuesto tejido, que se rompe mediante la inyección de gas a alta presión para observar el fallo. La intensidad de la carga puede determinarse a partir de la presión en el interior del bolsillo. (b) Es una muestra típica en forma de cruz, con una grieta cortada en el brazo de carga para garantizar que la tensión se transmita a lo largo de este brazo.

Tras la discusión, se optó finalmente por la muestra de tipo (b) para su optimización.

Figura 3: Dos configuraciones de muestra propuestas

La muestra biaxial final diseñada se muestra en la figura. El proceso de fabricación de esta muestra es relativamente complejo y comprende los siguientes cinco pasos: (1) Selección inicial: se eliminan los materiales de la bolsa que presenten daños iniciales significativos, como roturas, desprendimientos o desgarros; a continuación, el material enrollado se extiende horizontalmente y se deja reposar durante 48 horas para reducir la curvatura y el desviamiento de la trama a menos de 3 mm/m.

(2) Cortado: el material del cuerpo de la bolsa se corta en forma de muestra, con un error inferior a 0,5 mm/m.

(3) Puesta en contacto: La capa externa (placa de refuerzo) se coloca sobre la capa base (muestra de prueba). Dado que la resistencia a la tracción del adhesivo (aproximadamente 1,7 MPa) es mucho menor que la del material del saco, el efecto del adhesivo en la resistencia a la tracción biaxial es despreciable. Además, el adhesivo posee una rigidez y una resistencia al cizallamiento óptimas, lo que permite una transmisión eficiente de la carga.

(4) Adhesión secundaria: colgar la muestra sobre una barra de EPDM para facilitar su sujeción y permitir la aplicación efectiva de la carga.

(5) Corte de ranuras: en el brazo de carga, realizar cuidadosamente cortes manuales cada 33 mm, asegurándose de que todas las ranuras sean estrictamente paralelas a la dirección de carga para evitar daños en la hilera.

Coloque la muestra sobre la barra de EPDM.

Figura 4: Proceso de fabricación de muestras de tracción biaxial

2.3 Equipo de ensayo de doble eje

La carga se aplicó mediante una máquina de ensayo hidráulica servo de doble eje desarrollada internamente, que alcanza una capacidad máxima de 30.000 N, suficiente para provocar la rotura de la muestra.

Además, se utilizó una cámara de alta velocidad modelo SVSI-7, con una resolución de 800 × 600 dpi y una tasa de adquisición de 909 fps, para observar el estado de ruptura del material en el instante del fracturamiento.

Otros equipos: lámpara auxiliar de 400 W.

Figura 5: Configuración del equipo de prueba biaxial

3.Lanzamiento del experimento

Estiramiento en un solo eje: se aplica una carga inicial de 0,5 N/mm para verificar la instalación vertical, y luego se aplica una carga adicional de 0,1 N/m por segundo.

Estiramiento biaxial: primero se fija la barra de EPDM, luego se aplica una tensión inicial, se verifica la paralelismo y se realiza la carga definitiva. Los parámetros de carga son los mismos que los descritos anteriormente, y se realiza simultáneamente la grabación con cámara de alta velocidad.

Finalmente se estableció una temperatura de 27±1 °C y una humedad del 57±3 %.

4.Resultados y discusión

4.1 Modo de fallo

En el modo de fallo por rotura biaxial, los dos muestras del material 1 presentaron grietas longitudinales, mientras que la muestra 1 también exhibió una pequeña extensión de grieta transversal. En el material 2, las dos muestras mostraron un comportamiento similar: grietas longitudinales surgieron y se extendieron en la zona de prueba. Los resultados de las muestras 1 y 2 del material 3 son particularmente interesantes: en la muestra 1 la grieta es evidente, pero en la muestra 2 se observaron grietas extensas tanto en la dirección longitudinal como transversal. No existe una clara secuencia entre ambas grietas, lo que indica que se produjeron simultáneamente.

Al mismo tiempo, todas las grietas iniciales en las pruebas se extendieron en dirección meridional, ya que la resistencia de la dirección latitudinal es generalmente menor que la meridional; por lo tanto, bajo una relación de carga de 1:1, el daño tiende a propagarse en la dirección de menor resistencia. A continuación se realizará un análisis más detallado basado en el campo de tensiones preciso.

Figura 6: Forma de fallo de la muestra biaxial capturada por cámara de alta velocidad

4.2 Curva carga-desplazamiento

En general, la curva carga-desplazamiento del material del saco presenta una relación constitutiva no lineal típica. Durante la fase inicial de carga, la rigidez de la muestra aumenta progresivamente y, a medida que avanza la carga, tiende a acercarse a una constante. Bajo carga uniaxial, se mantiene una buena consistencia tanto en la dirección longitudinal como en la transversal; en cambio, bajo carga biaxial, se observa una mayor diferencia.

En la tracción uniaxial, tanto en la dirección longitudinal como en la transversal aparece una pequeña zona de baja rigidez, durante la cual la carga aumenta muy lentamente. Este fenómeno puede explicarse desde la estructura microscópica: bajo una carga uniaxial, el relajamiento inicial y el enrollamiento espacial de las hiladas longitudinales o transversales se van eliminando progresivamente, y el desplazamiento de retención proviene principalmente del desplazamiento de la estructura microscópica, no de la tracción del material. Esta explicación mecánica justifica por qué el fenómeno de baja rigidez ocurre en la fase inicial de carga. Asimismo, el fenómeno de baja rigidez en la dirección transversal es más pronunciado, lo que podría deberse al orden de tejido durante el proceso de fabricación. Cuando todas las hiladas de la muestra están completamente cargadas y estiradas, la curva carga-desplazamiento transita gradualmente hacia un segmento lineal.

La tensión biaxial presenta diferencias significativas respecto a la tensión uniaxial. La curva carga-desplazamiento no presenta una zona de baja tensión muy evidente, ya que las hilas internas están dispuestas perpendicularmente entre sí; por tanto, la carga biaxial solo reduce parcialmente la deformación microscópica de las hilas, sin eliminarla por completo. Debido a la orientación cruzada de las hilas y al efecto de Poisson, el módulo tangencial en la dirección longitudinal y en la transversal aumenta 17,11 y 13,67 veces, respectivamente, en comparación con la tensión uniaxial. A una relación de carga de 1:1, el desplazamiento de apriete en la dirección transversal es mayor que en la longitudinal, lo que indica una resistencia más baja en esta dirección. Es decir, bajo carga biaxial, la resistencia en la dirección longitudinal también es superior a la transversal.

Cabe señalar que los datos de desplazamiento se obtienen mediante sensores instalados en el mandril y no reflejan necesariamente el desplazamiento en el extremo del brazo de la muestra. Además, dado que la muestra de carga biaxial es una estructura multicapa adhesiva, la curva carga-desplazamiento no representa fielmente el estado real de tensión y deformación en su interior. Para obtener datos más precisos, se realizó una simulación numérica.

Figura 7: Curva carga-desplazamiento

4.3 Análisis de tensiones mediante software de elementos finitos

Mediante un modelo de elementos finitos basado en la modelización de elementos de corte, se reproduce la resistencia del material del saco. La tensión máxima en la muestra se produce en la región triangular saliente, coincidiendo con la posición inicial del daño observada en el ensayo. La carga de fallo se ajusta bien a los resultados experimentales presentados en la Tabla 2.

Figura 8: Resultados del modelo de elementos finitos

Tabla 2: Resistencia biaxial del material del cuerpo de la cápsula

4.4 Intensidad biaxial y curva de fallo

Se trazan las posibles curvas de fallo en el espacio de esfuerzos a partir de la resistencia a la falla biaxial con una relación de carga de 1:1.

Figura 9: Línea de fallo del primer cuadrante inferida

5.Resumen

（1）Se diseñó y fabricó un nuevo tipo de muestra en forma de cruz para medir la resistencia biaxial de la cápsula de un dirigible aéreo, compuesta por un brazo de carga de doble capa y una zona central de prueba de una sola capa. Tras la optimización estructural, la rotura biaxial se produjo en dicha zona central.

（2）Se realizaron ensayos de tracción uniaxial y biaxial. Las curvas carga-desplazamiento revelaron una clara región de baja rigidez durante la tracción uniaxial, lo que se atribuye a la progresiva eliminación del relajamiento inicial y la torsión espacial en las hiladas longitudinales y transversales del espécimen durante la fase inicial de carga. En el ensayo biaxial, este fenómeno es menos evidente. Asimismo, bajo una tensión biaxial, el módulo tangencial de ambas hiladas aumenta, y la resistencia longitudinal permanece superior a la transversal.

（3）Se registraron los tipos de falla mediante una cámara de alta velocidad, que pueden clasificarse en dos modos: fractura de hendidura única y fractura simultánea en dirección longitudinal y transversal.

（4）Mediante el software de simulación por elementos finitos se calculó la tensión máxima, y se considera que, con una relación de carga de 1:1, la resistencia biaxial equivale a la resistencia uniaxial del eje secundario multiplicada por un factor entre 1,1 y 1,3.

（5）A partir de ensayos de tracción biaxial con una relación de carga de 1:1, se trazaron las curvas de fallo posibles en el espacio de tensiones.