Calibración del modelo de Karagozian & Case para ensayos de compresión y tracción de un explosivo fundido a base de 3,4-dinitropirazol

Por qué importan los explosivos más resistentes

Los ejércitos modernos dependen de explosivos fundidos potentes que pueden verterse en proyectiles y ojivas como cera caliente y luego solidificarse en rellenos densos y cargados de energía. Estos materiales son baratos y eficientes, pero también pueden ser frágiles: golpes, caídas o detonaciones pueden agrietarlos o incluso activarlos. Este estudio plantea una pregunta práctica con grandes implicaciones de seguridad: ¿puede un modelo matemático desarrollado originalmente para hormigón ayudarnos a predecir cómo se comporta un nuevo explosivo fundido bajo abusos mecánicos del mundo real?

De material de construcción a material de campo de batalla

El explosivo examinado aquí está basado en 3,4-dinitropirazol (DNP), mezclado con otro explosivo de alta energía llamado HMX. Aunque los explosivos y el hormigón parecen mundos aparte, comparten rasgos clave: ambos son frágiles, se agrietan bajo carga y se comportan de forma distinta al ser comprimidos lentamente, golpeados rápidamente o confinados por todos lados. Ingenieros han pasado décadas perfeccionando modelos para el hormigón que siguen cómo se endurece, se fisura y finalmente falla. Los autores razonaron que si uno de estos modelos de hormigón pudiera adaptarse a explosivos a base de DNP, proporcionaría a los diseñadores una herramienta potente para pronosticar cómo sobreviven las ojivas al almacenamiento, transporte e impactos sin sorpresas peligrosas.

Poniendo el explosivo a prueba

Para explorar esta idea, el equipo primero tuvo que medir cómo se comporta el explosivo a base de DNP en laboratorio. Moldearon pequeños cilindros y discos y los ensayaron de tres maneras. En ensayos de compresión lenta, una máquina universal de ensayos apretó suavemente las muestras a dos velocidades de carga muy bajas, revelando cuán rígido es el material y cuándo comienza a agrietarse. En ensayos de compresión de alta velocidad, una barra de presión tipo Hopkinson partida disparó un proyectil para imponer un impacto rápido, imitando lo que el explosivo podría experimentar en detonaciones o colisiones. Finalmente, ensayos especiales de «disco brasileño» sometieron el material a tracción de forma indirecta, permitiendo a los investigadores estimar su resistencia a la tracción y su tenacidad a la fractura: cuán fácilmente se inician y crecen las grietas. En conjunto, estos experimentos dibujaron un panorama detallado del comportamiento del explosivo en un amplio rango de condiciones de carga.

Un modelo de hormigón aprende un truco nuevo

Armados con estos datos, los autores recurrieron al modelo de Karagozian & Case (K&C), una descripción sofisticada de cómo responden los materiales frágiles cuando se empujan, tiran y confinan. El modelo sigue cómo un material pasa de una etapa elástica inicial, en la que recupera su forma, a un endurecimiento cuando se forman microgrietas, y finalmente a un ablandamiento y falla a medida que el daño se propaga. También tiene en cuenta cómo cambia el comportamiento cuando las cargas se aplican más rápido y cuando se ejerce presión desde todos los lados. Los investigadores introdujeron las propiedades medidas del explosivo a base de DNP y ajustaron cuidadosamente los numerosos parámetros internos del modelo para que sus curvas esfuerzo-deformación previstas coincidieran con las experimentales. Ajustaron la velocidad a la que se acumula el daño, cómo el material se endurece a altas tasas de carga y cómo cambia su respuesta volumétrica bajo compresión.

Viendo dentro de la respuesta del material

Una vez calibrado, el modelo K&C se utilizó como un banco de ensayos virtual. Reprodujo con precisión cómo el explosivo gana fuerza y rigidez cuando se comprime más rápido, con errores en la resistencia máxima por debajo del 7% para las velocidades de impacto probadas. También capturó el recorrido completo desde la carga inicial, pasando por el crecimiento de grietas, hasta la falla final. Cuando el equipo simuló compresión lenta, ajustaron ligeramente la forma en que el volumen del material responde para que el modelo también coincidiera bien con los ensayos casi estáticos. Quizá lo más llamativo fue que las pruebas virtuales bajo diferentes presiones circundantes mostraron que el explosivo cambia de personalidad: con poco o ningún confinamiento, se comporta de forma frágil, perdiendo resistencia rápidamente tras la fisura; bajo mayor confinamiento, se deforma más como un material dúctil, manteniendo fuerza sustancial incluso a grandes deformaciones y aproximándose a una respuesta casi perfectamente plástica.

Qué significa esto para diseños más seguros

Para el público no especializado, la conclusión es que los autores lograron reutilizar con éxito un modelo probado para hormigón y describir con detalle realista un explosivo fundido moderno. Al ajustar el modelo tanto a ensayos lentos como rápidos, en tracción y compresión, y al capturar el cambio de fractura frágil a comportamiento tipo dúctil bajo presión, el modelo K&C se convierte en una bola de cristal fiable sobre cómo se comportará este explosivo dentro de municiones reales. Los diseñadores ahora pueden simular cómo responden las cargas a choques, impactos y confinamiento sin depender únicamente de experimentos costosos y peligrosos. A largo plazo, este tipo de modelado puede orientar formulaciones de explosivos más seguras, estructuras de ojivas más robustas y evaluaciones de riesgo más precisas allí donde se usan explosivos fundidos.

Cita: Xu, Y., Gao, J., Fu, P. et al. Calibration of the Karagozian & Case model for compression and tensile tests of a 3,4-dinitropyrazole-based melt-cast explosive. Sci Rep 16, 8391 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39651-9

Palabras clave: explosivos fundidos, comportamiento mecánico, modelado constitutivo, carga dinámica, seguridad del material