لماذا يتأثر الأداء الانضغاطي لتعزيز الألياف الزجاجية بسهولة بنسبة العرض إلى الارتفاع؟ ما هي الظروف الحرجة لسحق وتقسيم الأضرار؟

يتأثر الأداء الانضغاطي لتعزيز الألياف الزجاجية بسهولة بنسبة العرض إلى الارتفاع ، والظروف الحرجة لفشل التكسير وفشل الانقسام ترتبط ارتباطًا وثيقًا بخصائص المواد وتوزيع الإجهاد. فيما يلي تحليل محدد:

1 、 آلية تأثير نسبة العرض إلى الأداء الانضغاطي

تعد نسبة العرض إلى الارتفاع (λ ، التي يتم تعريفها على أنها نسبة الطول الفعال للمكون إلى الحد الأدنى لنصف قطر دورانه المتقاطع) عاملًا رئيسيًا مؤثرًا على الأداء الانضغاطي لتعزيز الألياف الزجاجية ، وآلية عملها كما يلي:

تأثير عدم الاستقرار المهيمن

الإجهاد الناقد لـ Euler: مع زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع ، يتناقص الإجهاد الحرج Euler (σ _cr = π ² E/(λ ²)) بشكل حاد. على سبيل المثال ، عندما يزيد λ من 40 إلى 80 ، ينخفض ​​σ _cr من حوالي 125 ميجا باسكال إلى 31 ميجا باسكال (على افتراض E = 40 GPa) ، وهو أقل بكثير من قوة الضغط للألياف الزجاجية (عادة 300-500 ميجا باسكال).

تغيير الوضع في الفشل: تواجه الأشرطة القصيرة (λ <50) الفشل في سحق ، في حين أن الأشرطة الطويلة (λ> 80) تخضع للاختراق بسبب عدم الاستقرار. قدرة المحمل الفعلية هي فقط 10 ٪ -30 ٪ من قوة ضغط المواد.

عدم توحيد توزيع الإجهاد

تأثير القيد النهائي: تحت الضغط المحوري ، يحدث تركيز الإجهاد في منطقة القيد النهائي من التعزيز الطويل ، ويتم إعاقة التوسع العرضي للمنطقة الأوسط بسبب تأثير بواسون ، مما يشكل مجال إجهاد غير موحد.

التدرج الكسر الألياف: يمتد كسر الألياف في الأشرطة الطويلة من النهاية إلى الوسط ، وتنخفض المسافة بين أسطح الكسر مع زيادة λ ، مما يؤدي إلى انخفاض في قدرة تحمل.

تضخيم تباين المواد

الأداء الجانبي الضعيف: قوة القص الجانبية لتعزيز الألياف الزجاجية (حوالي 30-50 ميجا باسكال) ليست سوى 1/10 من قوة الضغط المحورية. مع زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع ، يزداد التناقض بين متطلبات القيد الجانبي وخصائص المواد.

Interface Debonding Acceleration: تتوسع الواجهة بين الألياف والمصفوفة في القضبان الطويلة من المحلية إلى بشكل عام ، مما يقلل من صلابة الضغط الشاملة.

2 、 الظروف الحرجة لسحق وتقسيم الفشل

1. فشل التكسير

آلية الزناد: يحدث عندما يتجاوز الإجهاد الانضغاطي المحوري الحد الأقصى للحمل المجهرية للألياف الزجاجية.

حالة حرجة:

حالة الإجهاد: σ _ محوري ≥ σ _ سلالة الضغط (300-500 ميجا باسكال).

الميزات المدمرة: سحق حزمة الألياف ، تجزئة المصفوفة ، مع طائرة انزلاق القص 45 درجة في المقطع العرضي ، مصحوبة ضوضاء مكثفة.

الحد من نسبة النحافة: عادة ما يحدث في أشرطة قصيرة مع λ <50 ، حيث يمكن تجاهل تأثير عدم الاستقرار.

2. تقسيم الفشل

آلية الزناد: يحدث ذلك عندما يتجاوز الإجهاد الشد الجانبي قوة ربط واجهة مصفوفة الألياف أو قوة الشد المادية.

حالة حرجة:

حالة الإجهاد: σ _transverse ≥ σ _tensile_strend (50-100 ميجا باسكال) أو τ _interface ≥ τ _ond_strend (10-20 MPa).

خصائص الضرر: يتم إنشاء تشققات متوازية متعددة على طول الاتجاه المحوري ، مع مشط مثل 'المقطع العرضي ويرافقه تقشير المصفوفة.

منطقة حساسية نسبة العرض إلى الارتفاع: عندما يزيد 50 <λ <80 ، يزداد احتمال تقسيم الفشل بشكل كبير بسبب تأثير اقتران عدم الاستقرار والقيود الجانبية.

3 、 معايير تحديد الأنماط المدمرة

بناءً على نسبة العرض إلى الارتفاع λ ومعلمات أداء المواد ، يمكن إنشاء معايير التمييز في وضع الفشل:

معايير تحديد الأنماط المدمرة

سحق وتدمير λ ≤ λ λ _cr1 (حوالي 50) و σ _ محوري ≥ σ _compression_strend

فشل الانقسام: λ _cr1 <λ ≤λ _cr2 (حوالي 80) و σ _transvers

فشل الابزيم λ> λ _cr2 و σ _ محوري <σ _cr (الإجهاد الحرج euler)

4 、 اقتراحات التطبيق الهندسي

تصميم تعزيز قصير (λ ≤ 50):

التحكم المفتاح في قوة ضغط المواد ، باستخدام مصفوفة راتنج المعامل العالية (E ≥ 50 GPA) لتعزيز قدرة مضادة عدم الاستقرار.

يوصي بقطر مستعرض من ≥ 20 مم لتجنب السحق المحلي.

تصميم تعزيز متوسط ​​الطول (50 <λ≤ 80):

يجب التحقق من كل من قوة الضغط وأداء ضبط النفس الجانبي في وقت واحد. يوصى باستخدام تعزيز ألياف الكربون أو علاج الرمل السطحي.

يبلغ الحد الأدنى لسمك الطبقة الواقية 2.5 ضعف قطر مادة التعزيز لمنع الانقسام والتوسع.

تصميم تعزيز طويل (λ> 80):

يجب إجراء التحقق من الاستقرار ، أو يجب استخدام بنية مركبة من تعزيز الألياف الزجاجية المقيدة أنابيب الصلب.

الحد من نسبة العرض إلى الارتفاع إلى λ ≤ 100 لتجنب الفشل المهيمن في Euler.

5 、 حدود الأبحاث

المحاكاة المتعددة: استخدام نموذج اقتران العناصر المحدودة للديناميات الجزيئية ، يكشف عن الآلية التنافسية بين كسر الألياف والظهور بين الألياف.

المراقبة الذكية: قم بتطوير نظام مراقبة الإجهاد يعتمد على شبكية Bragg الألياف لتوفير تحذير في الوقت الفعلي من العلامات المبكرة للانقسام والأضرار.

مادة مصفوفة جديدة: تم تطوير مصفوفة راتنجات ذات شفاء ذاتي تطلق عوامل الشفاء من خلال الكبسولات الدقيقة لتأخير انتشار الكراك.

يحتاج تصميم الأداء الانضغاطي لتعزيز الألياف الزجاجية إلى النظر بشكل شامل في نسبة العرض إلى الارتفاع ، وتباين المواد ، وتأثيرات اقتران أوضاع الفشل. من خلال التحليل المكرر والتصميم المبتكر ، يمكن توسيع إمكانات تطبيقه في سيناريوهات عالية الطلب مثل الهندسة البحرية والهياكل الزلزالية بشكل كبير.