لماذا يتأثر الأداء الضاغط لتعزيز الألياف الزجاجية بسهولة بنسبة العرض إلى الارتفاع؟ ما هي الشروط الحرجة لسحق وتقسيم الضرر؟

يتأثر الأداء المضغوط لتقوية الألياف الزجاجية بسهولة بنسبة العرض إلى الارتفاع، وترتبط الظروف الحرجة لفشل التكسير وفشل الانقسام ارتباطًا وثيقًا بخصائص المواد وتوزيع الضغط. وفيما يلي تحليل محدد:

1. آلية تأثير نسبة العرض إلى الارتفاع على الأداء الانضغاطي

تعد نسبة العرض إلى الارتفاع (التي تُعرف بأنها نسبة الطول الفعال للمكون إلى الحد الأدنى من نصف قطر دوران مقطعه العرضي) عاملًا رئيسيًا مؤثرًا على الأداء الانضغاطي لتعزيز الألياف الزجاجية، وآلية عملها هي كما يلي:

تأثير عدم الاستقرار هو السائد

انبعاج أويلر للإجهاد الحرج: مع زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع، ينخفض ​​الإجهاد الحرج لالتواء أويلر (σ _cr=π ² E/(lect ²)) بشكل حاد. على سبيل المثال، عندما تزيد σ من 40 إلى 80، تنخفض σ _cr من حوالي 125 ميجا باسكال إلى 31 ميجا باسكال (بافتراض E = 40 جيجا باسكال)، وهو أقل بكثير من قوة ضغط الألياف الزجاجية (عادة 300-500 ميجا باسكال).

تغيير نمط الفشل: تتعرض القضبان القصيرة (5<50) بشكل أساسي لفشل التكسير، بينما تتعرض القضبان الطويلة (80>80) لفشل الانبعاج بسبب عدم الاستقرار. قدرة التحمل الفعلية هي فقط 10% -30% من قوة ضغط المادة.

عدم تجانس توزيع الضغوط

تأثير القيد النهائي: تحت الضغط المحوري، يحدث تركيز الإجهاد في منطقة القيد النهائية للتسليح الطويل، ويتم إعاقة التمدد العرضي للمنطقة الوسطى بسبب تأثير بواسون، مما يشكل مجال إجهاد غير منتظم.

تدرج كسر الألياف: يمتد كسر الألياف في القضبان الطويلة من النهاية إلى المنتصف، وتتناقص المسافة بين سطوح الكسر بزيادة α، مما يؤدي إلى انخفاض تدريجي في قدرة التحمل.

تضخيم تباين المواد

الأداء الجانبي الضعيف: قوة القص الجانبي لتسليح الألياف الزجاجية (حوالي 30-50 ميجا باسكال) هي فقط 1/10 من قوة الضغط المحوري. ومع زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع، يزداد التناقض بين متطلبات القيد الجانبي وخصائص المواد.

تسريع فك الارتباط بين الواجهة: تتوسع الواجهة بين الألياف والمصفوفة في القضبان الطويلة من المستوى المحلي إلى الإجمالي، مما يقلل من صلابة الضغط الإجمالية.

2 、 الظروف الحرجة لفشل التكسير والتقسيم

1. فشل التكسير

آلية الزناد: تحدث عندما يتجاوز إجهاد الضغط المحوري حد تحمل البنية المجهرية للألياف الزجاجية.

حالة حرجة:

حالة الإجهاد: σ _ المحوري ≥ σ _ الانفعال الضاغط (300-500 ميجاباسكال).

الميزات التدميرية: سحق حزمة الألياف، وتجزئة المصفوفة، مع مستوى انزلاق القص 45 درجة في المقطع العرضي، مصحوبًا بضوضاء شديدة.

حدود نسبة النحافة: تحدث عادةً في الأشرطة القصيرة ذات 5<50، حيث يمكن تجاهل تأثير عدم الاستقرار.

2. فشل التقسيم

آلية الزناد: تحدث عندما يتجاوز إجهاد الشد الجانبي قوة ترابط واجهة مصفوفة الألياف أو قوة شد المادة.

حالة حرجة:

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

خصائص الضرر: يتم إنشاء شقوق متوازية متعددة على طول الاتجاه المحوري، مع مقطع عرضي يشبه المشط ويصاحبه تقشير المصفوفة.

منطقة حساسية نسبة العرض إلى الارتفاع: عندما تكون 50 < 80 < 80، يزداد احتمال فشل الانقسام بشكل كبير بسبب تأثير اقتران عدم الاستقرار والقيود الجانبية.

3. معايير تحديد الأنماط التدميرية

استناداً إلى نسبة العرض إلى الارتفاع  ومعلمات أداء المادة، يمكن تحديد معايير التمييز في وضع الفشل:

معايير تحديد الأوضاع المدمرة

سحق وتدمير σ σ _cr1 (حوالي 50) و σ _ المحوري ≥ σ _compressive_strend

فشل الانقسام: σ _cr1 < τ τ _cr2 (حوالي 80) و σ _transverse ≥ σ _tensile_strend أو τ _interface ≥ τ _ond_strend

فشل الالتواء σ_cr2 وσ_المحوري<σ _cr (إجهاد أويلر الحرج)

4 、 اقتراحات التطبيقات الهندسية

تصميم التسليح القصير (5 ≥ 50):

التحكم الرئيسي في قوة ضغط المواد، باستخدام مصفوفة راتينج ذات معامل عالي (E ≥ 50 GPa) لتعزيز القدرة على مقاومة عدم الاستقرار.

يوصى بقطر مقطعي ≥ 20 مم لتجنب التكسير الموضعي.

تصميم تسليح متوسط ​​الطول (50< ≥ 80):

يجب التحقق من قوة الضغط وأداء التقييد الجانبي في وقت واحد. يوصى باستخدام تقوية لف ألياف الكربون أو معالجة السفع الرملي السطحي.

الحد الأدنى لسمك الطبقة الواقية هو ≥ 2.5 مرة قطر مادة التسليح لمنع الانقسام والتوسع.

تصميم التسليح الطويل (80>):

يجب إجراء التحقق من الاستقرار، أو يجب استخدام هيكل مركب من أنابيب الصلب المقيدة بالألياف الزجاجية.

حدد نسبة العرض إلى الارتفاع إلى 100 ≥ 100 لتجنب فشل أويلر في التواء المهيمن.

5- حدود البحث

محاكاة متعددة النطاقات: باستخدام نموذج اقتران العناصر المحدودة للديناميكيات الجزيئية، يكشف عن الآلية التنافسية بين كسر الألياف وتفكيك الترابط البيني.

المراقبة الذكية: تطوير نظام لمراقبة الضغط يعتمد على شبكات الألياف Bragg لتوفير تحذير في الوقت الحقيقي من العلامات المبكرة للانقسام والضرر.

مادة مصفوفة جديدة: تم تطوير مصفوفة راتنجية ذاتية الشفاء تطلق عوامل علاجية من خلال كبسولات دقيقة لتأخير انتشار التشققات.

يحتاج تصميم الأداء المضغوط لتعزيز الألياف الزجاجية إلى النظر بشكل شامل في نسبة العرض إلى الارتفاع، وتباين المواد، وتأثيرات الاقتران لأنماط الفشل. ومن خلال التحليل الدقيق والتصميم المبتكر، يمكن توسيع إمكانات تطبيقه في سيناريوهات الطلب المرتفع مثل الهندسة البحرية والهياكل الزلزالية بشكل كبير.