Warum ist die Druckleistung der Glasfaserverstärkung leicht durch das Seitenverhältnis beeinflusst? Was sind die kritischen Bedingungen für das Zerkleinern und Aufteilen von Schäden?

Die Druckleistung der Glasfaserverstärkung ist leicht durch das Seitenverhältnis zu beeinflussen, und die kritischen Bedingungen für das Zerkleinern und das Aufteilungsversagen sind eng mit den Materialeigenschaften und der Spannungsverteilung verbunden. Das Folgende ist eine spezifische Analyse:

1 、 Der Einflussmechanismus des Seitenverhältnisses auf die Druckleistung

Das Seitenverhältnis (λ, definiert als das Verhältnis der effektiven Länge einer Komponente zu dem minimalen Rotationsradius seines Querschnitts) ist ein wesentlicher Einflussfaktor für die Druckleistung der Glasfaserverstärkung, und sein Wirkmechanismus lautet wie folgt:

Instabilitätseffekt dominant

Euler knickt kritische Spannung: Wenn das Seitenverhältnis zunimmt, nimmt der Euler -Knick der kritischen Spannung (σ _cr = π ² E/(λ ²)) stark ab. Wenn beispielsweise λ von 40 auf 80 zunimmt, nimmt σ _cr von etwa 125 MPa auf 31 MPa (unter der Annahme e = 40 gpa) ab, was viel niedriger ist als die Druckfestigkeit von Glasfasern (normalerweise 300-500 MPa).

Modusveränderung des Versagens: Kurzstangen (λ <50) erleiden hauptsächlich ein Zerkleinerungsversagen, während lange Balken (λ> 80) aufgrund von Instabilität einen Knickfehler durchlaufen. Die tatsächliche Lagerkapazität beträgt nur 10% -30% der Druckfestigkeit des Materials.

Nicht gleichmäßige Stressverteilung

Endbeschränkungswirkung: Unter axialer Kompression tritt die Spannungskonzentration im Endbeschränkungsbereich der langen Verstärkung auf, und die Querausdehnung des mittleren Bereichs wird aufgrund des Effekts von Poisson behindert und bildet ein ungleichmäßiges Spannungsfeld.

Faserfraktur -Gradient: Faserfraktur in langen Stäben erstreckt sich vom Ende bis zur Mitte, und der Abstand zwischen den Frakturflächen nimmt mit zunehmendem λ ab, was zu einer Stufenabnahme der Lagerkapazität führt.

Materialanisotropieverstärkung

Schwache laterale Leistung: Die laterale Scherfestigkeit der Glasfaserverstärkung (ca. 30-50 MPa) beträgt nur 1/10 der axialen Druckfestigkeit. Mit zunehmendem Seitenverhältnis verschärft sich der Widerspruch zwischen den lateralen Einschränkungen und den materiellen Eigenschaften.

Schnittstellenbeschleunigung: Die Grenzflächen -Debonding zwischen Fasern und Matrix in langen Balken erweitert sich von lokal zu insgesamt und verringert die Gesamtkompressionssteifigkeit.

2 、 Kritische Bedingungen für das Zerkleinern und Aufteilen des Fehlers

1. Misserfolg

Auslösermechanismus: Es tritt auf, wenn die axiale Druckspannung die Mikrostrukturlagergrenze der Glasfaser überschreitet.

Kritische Bedingung:

Spannungszustand: σ _ axial ≥ σ _ Druckdehnung (300-500 MPa).

Zerstörungsfähige Merkmale: Faserbündelquetschend, Matrixfragmentierung mit einer 45 ° -S-Scherableitungsebene im Querschnitt, begleitet von intensivem Rauschen.

Einschränkung des Schlankheitsverhältnisses: Normalerweise tritt in kurzen Balken mit λ <50 auf, wobei der Instabilitätseffekt ignoriert werden kann.

2. Misserfolg

Triggermechanismus: Es tritt auf, wenn die laterale Zugspannung die Fasermatrix -Grenzflächenbindungsfestigkeit oder die materielle Zugfestigkeit überschreitet.

Kritische Bedingung:

Spannungszustand: σ _transverse ≥ σ _tensile_Strend (50-100 MPa) oder τ _interface ≥ τ _ond_strend (10-20 MPa).

Schadensmerkmale: Entlang der axialen Richtung werden mehrere parallele Risse erzeugt, wobei ein 'Kamm wie ' Querschnitt und von Matrixschälern begleitet werden.

Empfindlichkeitszone des Aspektverhältnisses: Wenn 50 <λ <80, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Versagen aufgeteilt wird, aufgrund des Kopplungseffekts von Instabilität und lateralen Einschränkungen signifikant.

3 、 Kriterien zur Identifizierung destruktiver Modi

Basierend auf dem Seitenverhältnis λ- und Materialleistungsparameter können Diskriminierungskriterien für den Fehlermodus festgelegt werden:

Kriterien zur Identifizierung destruktiver Modi

Zerkleinern und Zerstörung von λ ≤ λ _cr1 (ungefähr 50) und σ _ axial ≥ σ _kompressive_Strend

Spaltversagen: λ _cr1 <λ ≤ ≤ °ald _cr2 (ca. 80) und σ _transverse ≥ σ _tensile_Strend oder τ _Interface ≥ τ _ond_strend

Knickversagen λ> λ _cr2 und σ _ axial <σ _cr (Euler Kritische Spannung)

4 、 Vorschläge für die technische Anwendung

Kurzverstärkungsdesign (λ ≤ 50):

Schlüsselkontrolle der Material -Druckfestigkeit unter Verwendung einer hohen Modulharzmatrix (E ≥ 50 GPa), um die Anti -Instabilitätsfähigkeit zu verbessern.

Empfehlen Sie einen Querschnittsdurchmesser von ≥ 20 mm, um die lokale Zerkleinerung zu vermeiden.

Verstärkungsdesign mit mittlerer Länge (50 <λ ≤ 80):

Sowohl die Druckfestigkeit als auch die laterale Rückhaltleistung müssen gleichzeitig überprüft werden. Es wird empfohlen, Kohlefaser -Wickelverstärkung oder sandübergreifende Oberflächenbehandlung zu verwenden.

Die minimale Schutzschichtdicke beträgt das 2,5 -fache des Durchmessers des Verstärkungsmaterials, um die Aufteilung und Ausdehnung zu verhindern.

Langes Verstärkungsdesign (λ> 80):

Die Stabilitätsüberprüfung muss durchgeführt werden, oder es muss eine zusammengesetzte Struktur der Faserverstärkung aus Stahlrohren eingeschränkt werden.

Begrenzen Sie das Seitenverhältnis auf λ ≤ 100, um das dominante Versagen von Euler zu vermeiden.

5 、 Forschungsgrenzen

Multiscale -Simulation: Unter Verwendung eines molekularen Dynamik -Finite -Elemente -Kopplungsmodells zeigen Sie den Wettbewerbsmechanismus zwischen Faserfraktur und Grenzflächen -Debonding.

Intelligente Überwachung: Entwickeln Sie ein Dehnungsüberwachungssystem, das auf Faser-Bragg-Gittern basiert, um Echtzeitwarnung vor frühen Anzeichen von Spaltung und Schäden zu erhalten.

Neues Matrixmaterial: entwickelte eine selbstheilende Harzmatrix, die Heilmittel durch Mikrokapseln freisetzt, um die Rissausbreitung zu verzögern.

Das kompressive Leistungsdesign der Glasfaserverstärkung muss das Seitenverhältnis, die Materialanisotropie und die Kopplungseffekte von Versagensmodi umfassend berücksichtigen. Durch raffinierte Analyse und innovatives Design kann das Anwendungspotenzial bei hohen Nachfrage -Szenarien wie Meerestechnik und seismische Strukturen erheblich erweitert werden.