Mengapa kinerja tekan penguatan fiberglass mudah dipengaruhi oleh rasio aspek? Apa kondisi kritis untuk menghancurkan dan membelah kerusakan?

Kinerja tekan penguatan fiberglass mudah dipengaruhi oleh rasio aspek, dan kondisi kritis untuk penghancuran kegagalan dan kegagalan pemisahan terkait erat dengan sifat material dan distribusi tegangan. Berikut ini adalah analisis khusus:

1 、 Mekanisme pengaruh rasio aspek pada kinerja tekan

Rasio aspek (λ, didefinisikan sebagai rasio panjang efektif komponen terhadap jari-jari minimum rotasi penampangnya) adalah faktor pengaruh kunci pada kinerja tekan penguatan fiberglass, dan mekanisme tindakannya adalah sebagai berikut:

Efek ketidakstabilan dominan

Euler Tekuk Stres Kritis: Ketika rasio aspek meningkat, tegangan kritis Euler yang teguh (σ _cr = π ² E/(λ ²)) berkurang dengan tajam. Misalnya, ketika λ meningkat dari 40 menjadi 80, σ _cr berkurang dari sekitar 125 MPa menjadi 31 MPa (dengan asumsi E = 40 GPa), yang jauh lebih rendah daripada kekuatan tekan serat kaca (biasanya 300-500 MPa).

Mode Perubahan Kegagalan: Bar Pendek (λ <50) terutama mengalami kegagalan penghancuran, sedangkan bar panjang (λ> 80) mengalami kegagalan tekuk karena ketidakstabilan. Kapasitas bantalan aktual hanya 10% -30% dari kekuatan tekan material.

Tidak seragam distribusi stres

Efek kendala akhir: Di bawah kompresi aksial, konsentrasi tegangan terjadi pada area kendala akhir dari penguatan yang panjang, dan ekspansi transversal dari area tengah terhambat karena efek Poisson, membentuk bidang tegangan yang tidak seragam.

Gradien Fraktur Serat: Fraktur serat dalam batang panjang memanjang dari ujung ke tengah, dan jarak antara permukaan fraktur berkurang dengan meningkatnya λ, menghasilkan penurunan kapasitas bantalan yang melangkah.

Amplifikasi anisotropi material

Kinerja lateral yang lemah: Kekuatan geser lateral penguatan fiberglass (sekitar 30-50 MPa) hanya 1/10 dari kekuatan tekan aksial. Ketika rasio aspek meningkat, kontradiksi antara persyaratan kendala lateral dan sifat material meningkat.

Antarmuka Debonding Acceleration: Antarmuka debonding antara serat dan matriks di batang panjang meluas dari lokal ke keseluruhan, mengurangi kekakuan tekan secara keseluruhan.

2 、 Kondisi kritis untuk menghancurkan dan membelah kegagalan

1. Kegagalan penghancuran

Mekanisme Pemicu: Terjadi ketika tegangan tekan aksial melebihi batas bantalan mikrostruktur dari serat kaca.

Kondisi kritis:

Status tegangan: σ _ aksial ≥ σ _ strain tekan (300-500 MPa).

Fitur Destructive: Bundel Fiber Bundel, Fragmentasi Matriks, dengan bidang selip geser 45 ° di penampang, disertai dengan kebisingan yang intens.

Keterbatasan rasio kelangsingan: Biasanya terjadi di batang pendek dengan λ <50, di mana efek ketidakstabilan dapat diabaikan.

2. Kegagalan pemisahan

Mekanisme Pemicu: Ini terjadi ketika tegangan tarik lateral melebihi kekuatan ikatan antarmuka matriks serat atau kekuatan tarik material.

Kondisi kritis:

Status tegangan: σ _transverse ≥ σ _tensile_strend (50-100 MPa) atau τ _interface ≥ τ _ond_strend (10-20 MPa).

Karakteristik kerusakan: beberapa retakan paralel dihasilkan di sepanjang arah aksial, dengan 'sisir seperti ' penampang dan disertai dengan peeling matriks.

Zona sensitivitas rasio aspek: Ketika 50 <λ <80, probabilitas kegagalan pemisahan meningkat secara signifikan karena efek kopling dari ketidakstabilan dan kendala lateral.

3 、 Kriteria untuk mengidentifikasi mode destruktif

Berdasarkan rasio aspek λ dan parameter kinerja material, kriteria diskriminasi mode kegagalan dapat ditetapkan:

Kriteria untuk mengidentifikasi mode destruktif

Penghancuran dan penghancuran λ ≤ λ _cr1 (sekitar 50) dan σ _ aksial ≥ σ _compressive_strend

Kegagalan pemisahan: λ _cr1 <λ ≤λ _cr2 (sekitar 80) dan σ _transverse ≥ σ _tensile_strend atau τ _interface ≥ τ _ond_strend

Kegagalan tekuk λ> λ _cr2 dan σ _ aksial <σ _cr (stres kritis euler)

4 、 Saran Aplikasi Rekayasa

Desain penguatan pendek (λ ≤ 50):

Kontrol kunci dari kekuatan tekan material, menggunakan matriks resin modulus tinggi (E ≥ 50 GPa) untuk meningkatkan kemampuan anti ketidakstabilan.

Rekomendasikan diameter cross-sectional ≥ 20 mm untuk menghindari penghancuran lokal.

Desain penguatan panjang sedang (50 <λ≤ 80):

Kekuatan tekan dan kinerja pengekangan lateral perlu diverifikasi secara bersamaan. Dianjurkan untuk menggunakan penguatan belitan serat karbon atau perlakuan sandblasting permukaan.

Ketebalan lapisan pelindung minimum adalah ≥ 2,5 kali diameter bahan tulangan untuk mencegah pemisahan dan ekspansi.

Desain Penguatan Lama (λ> 80):

Verifikasi stabilitas harus dilakukan, atau struktur komposit pipa baja yang dibatasi penguatan fiberglass harus digunakan.

Batasi rasio aspek terhadap λ ≤ 100 untuk menghindari kegagalan dominan tekuk Euler.

5 、 Perbatasan Penelitian

Simulasi multiskala: Menggunakan model kopling elemen rendaman dinamika molekuler, mengungkapkan mekanisme kompetitif antara fraktur serat dan debonding antarmuka.

Pemantauan Cerdas: Kembangkan sistem pemantauan regangan berdasarkan kisi-kisi serat Bragg untuk memberikan peringatan waktu nyata tentang tanda-tanda awal pemisahan dan kerusakan.

Bahan Matriks Baru: Mengembangkan matriks resin penyembuhan diri yang melepaskan agen penyembuhan melalui mikrokapsul untuk menunda perambatan retak.

Desain kinerja tekan penguatan fiberglass perlu secara komprehensif mempertimbangkan rasio aspek, anisotropi material, dan efek kopling dari mode kegagalan. Melalui analisis yang disempurnakan dan desain inovatif, potensi penerapannya dalam skenario permintaan tinggi seperti rekayasa laut dan struktur seismik dapat diperluas secara signifikan.