¿Por qué el rendimiento compresivo del refuerzo de fibra de vidrio se ve fácilmente afectado por la relación de aspecto? ¿Cuáles son las condiciones críticas para aplastar y dividir el daño?

El rendimiento de compresión del refuerzo de fibra de vidrio se ve fácilmente afectado por la relación de aspecto, y las condiciones críticas para la falla de aplastamiento y la falla de división están estrechamente relacionadas con las propiedades del material y la distribución de tensión. El siguiente es un análisis específico:

1 、 El mecanismo de influencia de la relación de aspecto en el rendimiento de la compresión

La relación de aspecto (λ, definida como la relación de la longitud efectiva de un componente al radio mínimo de rotación de su sección transversal) es un factor de influencia clave en el rendimiento compresivo del refuerzo de fibra de vidrio, y su mecanismo de acción es el siguiente:

Efecto de inestabilidad dominante

Estrés crítico de pandeo de Euler: a medida que aumenta la relación de aspecto, la tensión crítica de pandeo de Euler (σ _cr = π ² e/(λ ²)) disminuye bruscamente. Por ejemplo, cuando λ aumenta de 40 a 80, σ _CR disminuye de aproximadamente 125 MPa a 31 MPa (suponiendo E = 40 GPa), que es mucho menor que la resistencia a la compresión de la fibra de vidrio (generalmente 300-500 MPa).

Cambio de modo de modo: las barras cortas (λ <50) experimentan principalmente falla de aplastamiento, mientras que las barras largas (λ> 80) sufren falla de pandeo debido a la inestabilidad. La capacidad de carga real es solo del 10% -30% de la resistencia a la compresión del material.

No uniformidad de la distribución de estrés

Efecto de restricción final: bajo compresión axial, la concentración de estrés ocurre en el área de restricción final del refuerzo largo, y la expansión transversal del área media se ve obstaculizada debido al efecto de Poisson, formando un campo de estrés no uniforme.

Gradiente de fractura por fibra: la fractura de fibra en barras largas se extiende desde el extremo hasta el medio, y la distancia entre las superficies de fractura disminuye al aumentar λ, lo que resulta en una disminución de la capacidad de cojinete.

Amplificación de anisotropía de material

Rendimiento lateral débil: la resistencia al corte lateral del refuerzo de fibra de vidrio (aproximadamente 30-50 MPa) es solo 1/10 de la resistencia a la compresión axial. A medida que aumenta la relación de aspecto, se intensifica la contradicción entre los requisitos de restricción lateral y las propiedades del material.

Aceleración de desunión de la interfaz: la interfaz desunión entre fibras y matriz en barras largas se expande de local a general, reduciendo la rigidez de compresión general.

2 、 Condiciones críticas para la falla de trituración y división

1. Falling triturador

Mecanismo de activación: ocurre cuando la tensión de compresión axial excede el límite de rodamiento microestructural de la fibra de vidrio.

Condición crítica:

Estado de estrés: σ _ axial ≥ σ _ tensión de compresión (300-500 MPa).

Características destructivas: trituración de paquete de fibra, fragmentación de matriz, con un plano de deslizamiento de corte de 45 ° en sección transversal, acompañado de un intenso ruido.

Limitación de la relación esbelta: generalmente ocurre en barras cortas con λ <50, donde se puede ignorar el efecto de inestabilidad.

2. División de falla

Mecanismo de activación: ocurre cuando la tensión de tracción lateral excede la resistencia de unión de la interfaz de la matriz de fibra o la resistencia a la tracción del material.

Condición crítica:

Estado de estrés: σ _transverso ≥ σ _tensile_strend (50-100 MPa) o τ _interfaz ≥ τ _ond_strend (10-20 MPa).

Características del daño: se generan múltiples grietas paralelas a lo largo de la dirección axial, con una sección transversal de 'peine como ' y acompañado de pelado de matriz.

Zona de sensibilidad de la relación de aspecto: cuando 50 <λ <80, la probabilidad de división de falla aumenta significativamente debido al efecto de acoplamiento de la inestabilidad y las restricciones laterales.

3 、 Criterios para identificar modos destructivos

Según la relación de aspecto λ y los parámetros de rendimiento del material, se pueden establecer criterios de discriminación del modo de falla:

Criterios para identificar modos destructivos

Trituración y destrucción de λ ≤ λ _CR1 (aproximadamente 50) y σ _ axial ≥ σ _Compressive_strend

Falla de división: λ _cr1 <λ ≤λ _cr2 (aproximadamente 80) y σ _transverso ≥ σ _tensile_strend o τ _interface ≥ τ _d_strend

Falla de pandeo λ> λ _cr2 y σ _ axial <σ _cr (tensión crítica de Euler)

4 、 Sugerencias de aplicaciones de ingeniería

Diseño de refuerzo corto (λ ≤ 50):

Control clave de la resistencia a la compresión del material, que utiliza la matriz de resina de módulo alto (E ≥ 50 GPa) para mejorar la capacidad antiinestabilidad.

Recomiende un diámetro transversal de ≥ 20 mm para evitar el trituración local.

Diseño de refuerzo de longitud media (50 <λ≤ 80):

Tanto la resistencia a la compresión como el rendimiento de restricción lateral deben verificarse simultáneamente. Se recomienda utilizar el refuerzo de devanado de fibra de carbono o el tratamiento de arena de la superficie.

El grosor mínimo de la capa protectora es ≥ 2.5 veces el diámetro del material de refuerzo para evitar la división y la expansión.

Diseño de refuerzo largo (λ> 80):

Se debe realizar la verificación de estabilidad, o se debe utilizar una estructura compuesta de la tubería de acero con refuerzo de fibra de vidrio.

Limite la relación de aspecto a λ ≤ 100 para evitar la falla dominante de pandeo de Euler.

5 、 Investigar fronteras

Simulación multiescala: utilizando un modelo de acoplamiento de elementos finitos de dinámica molecular, revela el mecanismo competitivo entre la fractura de fibra y la desunión interfacial.

Monitoreo inteligente: desarrolle un sistema de monitoreo de deformación basado en rejillas de fibra Bragg para proporcionar advertencia en tiempo real de signos tempranos de división y daño.

Nuevo material de la matriz: desarrolló una matriz de resina de autouración que libera agentes curativos a través de microcápsulas para retrasar la propagación de grietas.

El diseño de rendimiento de compresión del refuerzo de fibra de vidrio debe considerar exhaustivamente la relación de aspecto, la anisotropía material y los efectos de acoplamiento de los modos de falla. A través del análisis refinado y el diseño innovador, su potencial de aplicación en escenarios de alta demanda, como la ingeniería marina y las estructuras sísmicas, se puede ampliar significativamente.