2.1 Absorción de energía específica

En esta investigación, la absorción de energía (EA, absorción total de energía) se calcula a través de la medición del área bajo la curva experimental carga-desplazamiento típica [¹⁶, ²³, ²⁴, ³⁶, ⁴³-⁴⁸], obtenida de un ensayo de compresión sobre un espécimen de tubo compuesto. Matemáticamente, la EA se puede calcular usando la ecuación 1:

Donde F(x) es la fuerza de aplastamiento y d es el desplazamiento final de aplastamiento.

La absorción de energía específica (SEA, absorción de energía por unidad de masa del material), se calcula mediante la ecuación 2:

Donde m es la masa de la estructura en kg, kJ/kg son las unidades de SEA

En la Figura 2 se presenta una curva típica carga-desplazamiento obtenida de un ensayo de compresión sobre un tubo de material compuesto. En este caso, se trata de un tubo fabricado con preimpregnado de fibra de vidrio (CYCOM 919), con dimensiones de 54.8 mm de longitud y 25.4 mm de diámetro, el cual fue sometido a ensayos de compresión.

Figura 2 Curva típica de carga-desplazamiento de un tubo de material compuesto. 

2.2 Caso I: Laminados con fibras en orientación de [0,90]

La elección estructuras tubulares de materiales compuestos con fibras orientadas en [0,90] es una práctica común en la literatura científica [¹⁶, ²², ³⁷, ⁴⁵-⁴⁷], a causa de su excelente capacidad para disipar energía y sus destacadas propiedades mecánicas. Esta configuración se prefiere especialmente en aplicaciones donde las fuerzas dominantes actúan en la dirección de las fibras, basándose en su eficiente manejo de cargas axiales, lo cual confiere un valor significativo a la resistencia y la capacidad de absorción de energía, especialmente en situaciones donde la compresión desempeña un papel crucial.

Esta configuración permite aprovechar la alta resistencia a la tracción de las fibras orientadas en el eje longitudinal (0°), combinada con la capacidad de resistir cargas transversales proporcionada por las fibras dispuestas en la orientación perpendicular (90°).

En la Tabla 1 se presentan los resultados experimentales de cuatro estudios en donde se detallan las dimensiones y materiales utilizados [¹⁶, ³⁶, ⁴⁶-⁴⁹].

Los estudios se centraron en analizar la capacidad de absorción de energía en la configuración [0,90], es decir, la misma orientación de las fibras, y apilamientos que van desde 2 hasta 10 láminas en cada probeta, además se etiquetaron respecto a la Tabla 4 en donde los datos se acomodaron de acuerdo al número de láminas.

En la Figura 3 se ilustra cómo se estructuran los tubos en las configuraciones [0,90]₂ y [0,90]₄.

En este contexto, los aros de color amarillo representan las láminas con fibras a 0°, mientras que los de color azul indican láminas con una orientación de 90° respecto a la dirección longitudinal del tubo.

Figura 3 Ilustración de las configuraciones de tubos compuestos [0,90]₂ y [0,90]_4. 

2.3 Caso II: Laminados unidireccionales

En esta sección se aborda el análisis de estructuras tubulares diseñadas con orientaciones de fibras unidireccionales. En este caso se analiza cómo la orientación de las fibras influye la capacidad de la estructura para resistir y absorber energía en direcciones particulares, un aspecto crítico en aplicaciones donde la resistencia bajo carga juega un papel determinante.

Los datos recopilados abarcan orientaciones desde 0° hasta 75°, con incrementos de 5°, y se han organizado en configuraciones que varían desde 2 hasta 28 laminados en cada tubo. En la Figura 4 se muestran algunas representaciones de las configuraciones [5]₂, [10]₂ y [0]₈, donde cada aro representa una lámina y el color indica que los laminados consisten de láminas con refuerzos orientados en la misma dirección. Esta representación visual tiene como finalidad clarificar la disposición de los laminados en las muestras mencionadas en la Tabla 1.

Figura 4 Ejemplificación de las configuraciones de laminado [5]₂, [10]₂ y [0]_8. 

En la Tabla 2 se presenta un resumen de los materiales, las dimensiones, la configuración de laminado, y la capacidad de absorción de energía de laminados unidireccionales de tres trabajos reportados en la literatura [²⁴, ⁴⁵, ⁴⁸], demás que se etiquetan respecto a la Tabla 5. En estos experimentos, se ha puesto especial énfasis en la comprensión y medición de la capacidad de las estructuras tubulares para absorber, centrándose en las distintas orientaciones de fibras.

2.4 Caso III: Laminados multidireccionales

El análisis de laminados con diferentes orientaciones se convierte en un factor crítico para comprender de manera general el comportamiento de los materiales compuestos bajo cargas de compresión.

La importancia de considerar laminados con distintas orientaciones radica en la posibilidad de mejorar la eficiencia y rendimiento del comportamiento mecánico de los materiales compuestos en términos de resistencia y absorción de energía. Al explorar configuraciones menos convencionales, se pueden descubrir patrones de comportamiento que no serían evidentes en laminados convencionales. Este conocimiento sobre la interacción de las fibras en múltiples ángulos proporciona una base sólida para el diseño de materiales compuestos adaptados a requisitos específicos de aplicaciones de ingeniería. En la Figura 5 se muestran esquemas de algunas de las configuraciones utilizadas para el análisis de datos, en las cuales cada aro representa una lámina y cada color, la orientación. Se representan la configuración [30, -30, 90]₂, donde el color amarillo denota laminados a 30°, el color verde a -30° y el color azul a 90°. Asimismo, se ilustran [45, -45, 90]₂, en donde el color morado indica laminados de 45°, el color naranja de -45° y el color azul 90°. Adicionalmente, se presenta la configuración [60, -60, 90]₂, destacando el color rojo para láminas a 60°, el color gris a -60° y el color azul a 90°.

Figura 5 Ilustración de los tubos compuestos con configuraciones [30,-30,90]₂, [45,-45,90]₂ y [60,-60,90]₂ 

En la Tabla 3 se resumen los datos seleccionados de tres estudios experimentales reportados por Jishi et al. [⁴³], Mahdi et al. [⁴⁶] y Cui et al. [⁴⁷] quienes se enfocaron en la evaluación del efecto de las configuraciones y orientaciones de fibra sobre la absorción de energía específica en estructuras tubulares de materiales compuestos. También se presenta un concentrado de las dimensiones de las muestras seleccionadas para el estudio y se etiquetan de acuerdo a la Tabla 6. Esta diversidad de laminados resalta la complicación en el diseño de materiales compuestos y la importancia de considerar cada configuración como única, ya que cada apilado puede tener un comportamiento distinto en la capacidad de absorción de energía debido a la interacción compleja de los mecanismos de daño afectados por la orientación de las fibras.

3.1 Efecto de laminados [0,90] respecto a la absorción de energía específica en estructuras tubulares de materiales compuestos

En la Figura 6 se presenta la comparación de la SEA para laminados con la misma configuración [0,90] pero diferente cantidad de láminas. Se puede observar que, a pesar de tener la misma configuración y orientación de fibra, los laminados exhiben grandes diferencias en los valores experimentales de SEA. En el estudio llevado a cabo por Zhu et al. [¹⁶], se evaluó la capacidad de absorción de energía en una configuración de [0,90]₄, obteniendo valores de 64.76 kJ/kg y 82.67 kJ/kg con probetas de CFRP de 50 mm de diámetro y 100 mm de longitud. Por otro lado, Sulaiman et al. [³⁶] analizó la misma orientación y configuración de laminado, pero utilizando GFRP con dimensiones de 90 mm de diámetro y 100 mm de longitud, obteniendo una SEA de 6.5 kJ/kg. Estos resultados resaltan la influencia de diversos factores, como el tipo de material y las dimensiones de las probetas, sobre la absorción de energía específica en estructuras tubulares de materiales compuestos.

Además, en los resultados presentados Zhu et al. [¹⁶] para la configuración [0,90]₈ se obtuvieron valores de SEA de 66.82 kJ/kg y 83.03 kJ/kg; se puede observar una diferencia entre los resultados tomando en cuenta el mismo material y dimensiones (50 mm de diámetro y 100 mm de longitud). Por otro lado, Sulaiman et al. [³⁶] obtuvieron 21.23 kJ/kg de SEA con GFRP, mientras que Mahdi et al. [⁴⁶] reportaron 11.99 kJ/kg de SEA de tubos de GFRP; estas diferencias se muestran en la Figura 6. Estos estudios fueron seleccionados debido a la similitud en el número de laminados por probeta, con el propósito de facilitar la comparación de los datos reportados.

Figura 6 Comparación de la SEA de estructuras tubulares con fibras orientadas a [0,90] (ver Tabla 1 y Tabla 4). 

Se puede observar, tanto en la Figura 6 como en la Tabla 4, un valor máximo de SEA de 96.33 kJ/kg para la configuración A₁ [0/90]₂. Al contrastarlo con la configuración A₂ [0,90]₄, en la cual se obtuvo la menor SEA de 6.5 kJ/kg (ver Figura 7), se puede calcular una diferencia del 93.25%. Se puede notar de la información de la Tabla 1 que, además de la cantidad de láminas y de la longitud, estos tubos están reforzados con fibras de diferente material, vidrio (A₂) y carbono (A₁), la cual podría ser la diferencia de mayor impacto, ya que se ha reportado que las fibras de carbono exhiben una mayor capacidad de absorción de energía que las fibras de carbono [³⁶, ⁴⁸, ⁴⁹-⁵²].

Se puede observar en la Figura 6 que muestras de A₈ a A₁₁ comparten la misma configuración [0,90]₈. Sin embargo, hay una variación significativa en la absorción de energía específica (SEA) reportada en la Tabla 4, con un mínimo de 11.99 kJ/kg para A₈ y un máximo de 83.03 kJ/kg para A₁₁, lo que representa una diferencia de 71.04 kJ/kg. Esta diferencia en la SEA a pesar de la configuración similar podría atribuirse a varias variables. Por ejemplo, la longitud de las muestras puede jugar un papel importante, ya que A₈ tiene 120 mm de longitud y se realizó con fibra de vidrio, mientras que A₁₁ tiene 200 mm y los tubos fueron reforzados con fibra de carbono, por lo tanto, el material como la longitud pueden ser variables del diseño que afectan directamente a la SEA.

En la configuración [0,90]₄, es posible notar una mayor diferencia entre los resultados reportados de SEA, los cuales van desde 6.5 kJ/kg hasta 82.67 kJ/kg. Estas diferencias podrían atribuirse a diversas variables experimentales y de diseño, tales como diferencias en las dimensiones de las muestras, las variaciones en los materiales compuestos utilizados, así como también las técnicas de ensayo empleadas para evaluar la SEA. Estas diferencias refuerzan la necesidad de un análisis detallado para identificar los factores que influyen sobre la absorción de energía en estructuras compuestas reforzadas con fibras.

Figura 7 Análisis de la absorción de energía en relación a la configuración de laminado [0,90]₂ (ver Tabla 4). 

La evaluación de la absorción de energía específica (SEA), respecto el porcentaje de en la configuración [0,90] con diversos laminados se presenta detalladamente en la Figura 7, tomando como referencia [0,90]₂ , ya que de los datos analizados fue la que reporto mayor SEA. En la cual se presentan gráficamente los datos de la Tabla 1. Las diferencias porcentuales entre la SEA obtenidos de los tubos de material compuesto presentados en la Tabla 4 sugieren una influencia considerable de las características de diseño de las probetas y los parámetros de los ensayos. A pesar de que las configuraciones de laminado y la orientación de los ensayos son consistentes la dispersión en los resultados subraya la importancia de protocolos estandarizados que regulen dimensiones de probetas y procedimientos de ensayo, contribuyendo así a la obtención de datos más consistentes y comparables en este tipo de evaluaciones.

3.2 Efecto de las orientaciones unidireccionales de fibras en la absorción de energía específica en estructuras tubulares de materiales compuestos

En la evaluación de las orientaciones unidireccionales de fibras, representadas en la Figura 8 se llevó a cabo una comparación detallada de diversas configuraciones de laminado con ángulos variables (0° a 75°) en ensayos de compresión en estructuras tubulares de materiales compuestos. Es posible notar grandes diferencias en los resultados obtenidos para las configuraciones de laminado aparentemente similares. En el estudio enfocado en orientaciones de 0° realizado por Yang et al. [⁴⁵], se observa una variación sobre la absorción de energía específica como se puede observar en la Figura 8 y con los datos de la Tabla 2, en donde se alcanzó una SEA mínima de 46 kJ/kg para B₁ y una SEA máxima para B₆ de 58.11 kJ/kg. En estas muestras, las diferencias observadas en la absorción de energía pueden deberse al diámetro de los tubos, ya que se realizaron con 40 mm, 60 mm y 80 mm, incorporando en algunas muestras fibras de vidrio y en otras fibras de carbono en su composición.

En contraste, en el trabajo llevado a cabo por Ramakrishna et al. [²⁴] se abordaron orientaciones de 5° hasta 25°, con incrementos de 5°. En la Figura 8 se puede observar gráficamente la SEA para cada configuración y, en la Tabla 5 se presentan las diferencias porcentuales de capacidad de energía específica. Se puede notar que la orientación de B₁₂ 25° exhibió una capacidad de absorción mínima con 181.1 kJ/kg, y una máxima de 226 kJ/kg para B₁₀. La metodología para calcular la absorción de energía sigue un enfoque común, que implica determinar el área bajo la curva de la gráfica de carga-desplazamiento derivada de los ensayos. Sin embargo, las diferencias persisten debido a las variaciones en las condiciones experimentales entre los estudios.

Figura 8 Comparación en laminados con fibras unidireccionales (ver Tabla 2). 

Con los datos de la Tabla 5, en la Figura 9 se observa la variación en la absorción de energía en diversas orientaciones, tomando como referencia la configuración B₁₀ [15]₂, donde se registra el valor máximo de 226 kJ/kg. En contraste, con la configuración B₁ [0]₈ muestra el valor mínimo con un 20.68%. Este análisis resalta la importancia de normalizar el diseño experimental de las probetas, ya que en la configuración de [0]₈, los valores reportados de la absorción de energía son similares, incluso al utilizar dos tipos de refuerzos (fibra de vidrio y fibra de carbono), oscilando entre el 20.68% y el 25.71%. Esto sugiere que, al mantener las mismas dimensiones y condiciones de ensayo, los resultados en cuanto a la absorción de energía específica son similares, ya que se normalizan con respecto a la masa de las probetas. Estas discrepancias resaltan que, a pesar de compartir la misma orientación, las variaciones en la metodología de ensayo ejercen una influencia directa sobre los resultados.

Figura 9 Análisis de la absorción de energía en configuraciones de laminados unidireccionales de 0° hasta 75° 

3.3 Efecto de múltiples orientaciones de fibras en la absorción de energía específica en estructuras tubulares de materiales compuestos

El estudio de la absorción de energía de tubos laminados de material compuesto con orientaciones inclinadas es menos convencional y proporcionan una visión más completa sobre cómo las diferentes orientaciones de las fibras influyen sobre su capacidad de absorción de energía específica, siendo información relevante en aplicaciones de ingeniería, en cuestión de la optimización y diseño de los tubos. En la Figura 10 se muestra gráficamente la absorción de energía específica (SEA) para tubos laminados con diferentes orientaciones. Es posible observar grandes diferencias que pueden atribuirse tanto a las variaciones en las configuraciones de laminado empleadas como a las metodologías específicas utilizadas en cada ensayo.

En el estudio de Mahdi et al. [⁴⁶] se exploraron distintas configuraciones de laminado, revelando una variación significativa en la SEA según la configuración empleada. Con los datos de la Tabla 3 y la Tabla 6, en la Figura 10 se observa una absorción de energía de 11.95 kJ/kg para el tubo C₁ correspondiendo al 9.88% en la configuración [45/-45]₈, fabricado con fibra de vidrio, siendo la mínima reportada. Por otro lado, Jishi et al. [⁴³] reportaron valores de 104.7 kJ/kg (C₁₅) y para C₁₆ una SEA máxima de 121 kJ/kg, utilizando la misma configuración [45/-45]₈ y elaboradas con fibras de carbono; en este caso, el diámetro de las muestras es distinto: en el tubo C₁₅ se utilizó un diámetro de 10mm y para el tubo C₁₆, 6mm. Por lo tanto, se puede observar que esta variable (diámetro) puede ser predominante en la diferencia en la SEA. A pesar de que todos los resultados provienen de ensayos hechos sobre tubos fabricados con las mismas configuraciones (C₁, C₁₅ y C₁₆), sus propiedades mecánicas varían en 90% entre ambos estudios experimentales, debido a la diferencia de dimensiones y de las fibras empleadas.

Adicionalmente, en el estudio de Cui et al. [⁴⁹] se obtuvo la capacidad de absorción de energía para los tubos etiquetados C₉, C₇ y C₁₁ con [30,-30,90]₂, C_12, C₁₃ y C₁₄ con [45,-45,90]₂ y C₆, C₈ y C₁₀ con [60,-60,90]₂ presentados en la Tabla 3. En la Figura 10 se puede observar que la configuración [45,-45,90]₂ (C₁₄) exhibió la mayor absorción de energía, con un valor de 48.27 kJ/kg, correspondiente al 39.89%. Al observar la configuración [30,-30,90]₂, se evidencian diferencias en los valores reportados de SEA, que varían entre 40 kJ/kg y 44 kJ/kg, con diferencias aproximadas de 4%. Aunque esta variación puede considerarse relativamente menor, es importante señalar que estos datos provienen de una sola investigación, logrando cierta consistencia entre los resultados debido a condiciones metodológicas similares. No obstante, es crucial reconocer que estas discrepancias no se limitan a una sola configuración de laminado.

Figura 10 Análisis de la absorción de energía en configuraciones multidireccionales (ver Tabla 3 y Tabla 6). 

Estas diferencias resaltan la necesidad de establecer normativas o estándares para la ejecución de ensayos en estructuras compuestas. La falta de uniformidad en las metodologías experimentales no solo dificulta la comparación directa entre los estudios existentes, sino que también obstaculiza la identificación de tendencias consistentes o patrones confiables en los datos recopilados.

Es esencial dirigir investigaciones destinadas al desarrollo de estándares que regulen los procedimientos de evaluación de la absorción de energía en estos materiales. Esto no solo contribuiría a una mejor comprensión de su comportamiento, sino que también impulsaría su aplicación en sectores cruciales como la industria aeroespacial, automotriz y de construcción.