Proč je kompresní výkon zesílení ze skleněných vláken snadno ovlivněn poměrem stran? Jaké jsou kritické podmínky pro rozdrcení a rozdělení poškození?

Tlakový výkon zesílení ze skleněných vláken je snadno ovlivněn poměrem stran a kritické podmínky pro selhání drcení a selhání rozdělení úzce souvisejí s vlastnostmi materiálu a rozložením stresu. Následuje konkrétní analýza:

1 、 Mechanismus vlivu poměru stran na výkon tlaku

Poměr stran (λ, definovaný jako poměr efektivní délky komponenty k minimálnímu poloměru rotace jeho průřezu) je klíčovým faktorem ovlivňujícím kompresivní výkon zesílení ze skleněných vláken a jeho mechanismus účinku je následující:

Dominantní efekt nestability

Euler vzpěra kritického napětí: Jak se poměr stran zvyšuje, Euler se vzpěra kritického napětí (σ _cr = π ² e/(λ ²)) ostře snižuje. Například, když se λ zvyšuje ze 40 na 80, σ _CR se snižuje z přibližně 125 MPa na 31 MPa (za předpokladu E = 40 GPa), což je mnohem nižší než tlaková síla skleněných vláken (obvykle 300–500 MPa).

Změna režimu selhání: Krátké pruhy (λ <50) hlavně zažívají selhání drcení, zatímco dlouhé pruhy (λ> 80) podléhají selhání vzpěru v důsledku nestability. Skutečná ložisková kapacita je pouze 10% -30% pevnosti kompresního materiálu.

Nejednotnost rozložení stresu

Účinek koncového omezení: Při axiální kompresi se koncentrace napětí vyskytuje v oblasti konečného omezení dlouhé výztuže a příčná expanze střední oblasti se brání v důsledku Poissonova efektu, což tvoří nerovnoměrné napěťové pole.

Zlomový gradient vlákna: zlomenina vláken v dlouhých tyčích sahá od konce do středu a vzdálenost mezi zlomovými povrchy klesá se zvyšujícím se λ, což vede k stupňovanému snížení únosné kapacity.

Amplifikace materiálu Anisotropie

Slabý laterální výkon: Boční smyková pevnost ze skleněných vláken (asi 30-50 MPa) je pouze 1/10 pevnosti axiální tlaky. Jak se poměr stran zvyšuje, v rozporu mezi požadavky laterálního omezení a vlastnostmi materiálu se zesiluje.

Rozhraní Debonding Acceleration: Rozhraní rozhraní mezi vlákny a matricí v dlouhých pruzích se rozšiřuje z místní na celkově, což snižuje celkovou tlakovou tuhost.

2 、 Kritické podmínky pro selhání drcení a rozdělení

1. Porucha drcení

Spouštěcí mechanismus: Vyskytuje se, když axiální tlakové napětí přesahuje limit mikrostrukturálního ložiska skleněného vlákna.

Kritický stav:

Stav napětí: σ _ Axial ≥ σ _ Tlakový napětí (300-500 MPa).

Destruktivní rysy: Rozdrcení svazku vláken, fragmentace matrice s rovinou smykového skluzu 45 ° v průřezu, doprovázené intenzivním šumem.

Omezení poměru štíhlosti: Obvykle se vyskytuje v krátkých tyčích s λ <50, kde lze efekt nestability ignorovat.

2. Selhání rozdělení

Spouštěcí mechanismus: Vyskytuje se, když napětí laterálního tahu přesahuje sílu vazby nebo pevnosti v tahu materiálu.

Kritický stav:

Stav stresu: σ _transverse ≥ σ _tensile_strend (50-100 MPa) nebo τ _interface ≥ _ond_strend (10-20 MPa).

Charakteristiky poškození: podél axiálního směru se generuje více paralelních trhlin, s průřezem 'hřeben jako ' a doprovázen maticovou peelingem.

Zóna citlivosti poměru stran: Když 50 <λ <80, pravděpodobnost selhání rozdělení se významně zvyšuje v důsledku vazby nestability a laterálních omezení.

3 、 Kritéria pro identifikaci destruktivních režimů

Na základě poměru stran λ a parametrů výkonu materiálu lze stanovit diskriminační kritéria pro poruchu:

Kritéria pro identifikaci destruktivních režimů

Drcení a ničení λ ≤ λ _cr1 (přibližně 50) a σ _ axial ≥ _Compressive_Strend

Selhání rozdělení: λ _cr1 <λ ≤λ _cr2 (asi 80) a σ _transverse ≥ _tensile_strend nebo τ _interface ≥ _ond_strend

Selhání vzpěry λ> λ _cr2 a σ _ axiální <σ _cr (Euler Critical Stress)

4 、 návrhy inženýrských aplikací

Krátký návrh vyztužení (λ ≤ 50):

Klíčová kontrola síly tlaku materiálu pomocí matice pryskyřice s vysokým modulem (E ≥ 50 GPA) ke zvýšení schopnosti antistability.

Doporučte průměr průřezu ≥ 20 mm, abyste se vyhnuli lokálnímu drcení.

Návrh zesílení střední délky (50 <λ≤ 80):

Jak pevnost v tlaku, tak i laterální omezení je třeba ověřit současně. Doporučuje se používat vyztužení vinutí z uhlíkových vláken nebo ošetření povrchové písky.

Minimální tloušťka ochranné vrstvy je ≥ 2,5násobek průměru výztužního materiálu, aby se zabránilo rozdělení a expanzi.

Design dlouhého vyztužení (λ> 80):

Musí být provedeno ověření stability nebo musí být použita kompozitní struktura zpevněné ze skleněných vláken ocelových trubek.

Omezte poměr stran na λ ≤ 100, abyste se vyhnuli dominantnímu selhání Euleru.

5 、 Hranice výzkumu

Multiscale simulace: Pomocí modelu spojovacího prvku molekulární dynamiky odhalte konkurenční mechanismus mezi zlomeninou vlákna a rozhraním.

Inteligentní monitorování: Vytvořte systém monitorování kmenů založený na vláknových mřížkách, který poskytuje varování v reálném čase před časnými známkami rozdělení a poškození.

Nový maticový materiál: Vyvinula samoléčivá pryskyřičná matrice, která uvolňuje léčivé činidla pomocí mikrokapslí, aby se zpozdilo šíření trhlin.

Konstrukce kompresivního výkonu zesílení ze skleněných vláken musí komplexně zvážit poměr stran, materiální anizotropii a spojující účinky režimů selhání. Prostřednictvím rafinované analýzy a inovativního designu lze výrazně rozšířit jeho aplikační potenciál ve scénářích s vysokou poptávkou, jako jsou mořské inženýrství a seismické struktury.