Mengapa prestasi mampatan tetulang gentian kaca mudah dipengaruhi oleh nisbah aspek? Apakah keadaan kritikal untuk menghancurkan dan memisahkan kerosakan?

Prestasi mampatan tetulang gentian kaca mudah dipengaruhi oleh nisbah aspek, dan keadaan kritikal untuk menghancurkan kegagalan dan kegagalan pemisahan berkait rapat dengan sifat bahan dan pengagihan tekanan. Berikut adalah analisis khusus:

1 、 Mekanisme pengaruh nisbah aspek pada prestasi mampatan

Nisbah aspek (λ, yang ditakrifkan sebagai nisbah panjang berkesan komponen kepada jejari minimum putaran keratan rentasnya) adalah faktor pengaruh utama pada prestasi mampatan tetulang gentian kaca, dan mekanisme tindakannya adalah seperti berikut:

Kesan ketidakstabilan dominan

Euler membongkar tekanan kritikal: Apabila nisbah aspek meningkat, tekanan kritikal Euler (σ _cr = π ² e/(λ ²)) dengan ketara berkurangan. Sebagai contoh, apabila λ meningkat dari 40 hingga 80, σ _cr berkurangan dari kira-kira 125 MPa hingga 31 MPa (dengan mengandaikan E = 40 GPa), yang jauh lebih rendah daripada kekuatan mampatan serat kaca (biasanya 300-500 MPa).

Perubahan Mod Kegagalan: Bar pendek (λ <50) terutamanya mengalami kegagalan menghancurkan, sementara bar panjang (λ> 80) menjalani kegagalan buckling akibat ketidakstabilan. Kapasiti galas sebenar hanya 10% -30% daripada kekuatan mampatan bahan.

Tidak keseragaman pengedaran tekanan

Kesan Kekangan Akhir: Di bawah mampatan paksi, kepekatan tekanan berlaku di kawasan kekangan akhir tetulang yang panjang, dan pengembangan melintang kawasan pertengahan dihalang kerana kesan Poisson, membentuk medan tekanan yang tidak seragam.

Kecerunan patah serat: Fraktur serat di bar panjang meluas dari hujung ke tengah, dan jarak antara permukaan patah berkurangan dengan peningkatan λ, mengakibatkan penurunan kapasiti galas.

Penguatan anisotropi bahan

Prestasi sisi lemah: Kekuatan ricih sisi tetulang gentian kaca (kira-kira 30-50 MPa) hanya 1/10 dari kekuatan mampatan paksi. Oleh kerana nisbah aspek meningkat, percanggahan antara keperluan kekangan sisi dan sifat bahan semakin meningkat.

Percepatan debonding antara muka: Antara muka yang debonding antara serat dan matriks di bar panjang berkembang dari tempatan ke keseluruhan, mengurangkan kekakuan mampatan keseluruhan.

2 、 Keadaan kritikal untuk menghancurkan dan memisahkan kegagalan

1. Menghancurkan kegagalan

Mekanisme pencetus: Ia berlaku apabila tegasan mampatan paksi melebihi had galas mikrostruktur serat kaca.

Keadaan kritikal:

Tekanan keadaan: σ _ paksi ≥ σ _ ketegangan mampatan (300-500 MPa).

Ciri-ciri merosakkan: Penghancuran serat serat, pemecahan matriks, dengan satah slip ricih 45 ° di keratan rentas, disertai dengan bunyi yang sengit.

Batasan nisbah slenderness: Biasanya berlaku dalam bar pendek dengan λ <50, di mana kesan ketidakstabilan boleh diabaikan.

2. Kegagalan pemisahan

Mekanisme pencetus: Ia berlaku apabila tegasan tegangan sisi melebihi kekuatan ikatan antara muka gentian atau kekuatan tegangan bahan.

Keadaan kritikal:

Keadaan tekanan: σ _transverse ≥ σ _tensile_strend (50-100 MPa) atau τ _Interface ≥ τ _ond_strend (10-20 MPa).

Ciri-ciri kerosakan: Retak selari berganda dihasilkan di sepanjang arah paksi, dengan 'sikat seperti ' keratan rentas dan disertai dengan mengelupas matriks.

Zon sensitiviti nisbah aspek: Apabila 50 <λ <80, kebarangkalian kegagalan pemisahan meningkat dengan ketara disebabkan oleh kesan gandingan ketidakstabilan dan kekangan sisi.

3 、 Kriteria untuk mengenal pasti mod yang merosakkan

Berdasarkan nisbah aspek λ dan parameter prestasi bahan, kriteria diskriminasi mod kegagalan dapat diwujudkan:

Kriteria untuk mengenal pasti mod yang merosakkan

Menghancurkan dan pemusnahan λ ≤ λ _cr1 (kira -kira 50) dan σ _ paksi ≥ σ _compressive_strend

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

Kegagalan buckling λ> λ _cr2 dan σ _ paksi <σ _cr (tekanan kritikal euler)

4 、 Cadangan Permohonan Kejuruteraan

Reka bentuk tetulang pendek (λ ≤ 50):

Kawalan utama kekuatan mampatan bahan, menggunakan matriks resin modulus tinggi (E ≥ 50 GPa) untuk meningkatkan keupayaan ketidakstabilan anti.

Mengesyorkan diameter keratan rentas ≥ 20 mm untuk mengelakkan penghancuran tempatan.

Reka bentuk tetulang panjang sederhana (50 <λ≤ 80):

Kedua -dua kekuatan mampatan dan prestasi pengekangan sisi perlu disahkan secara serentak. Adalah disyorkan untuk menggunakan pengukuhan penggulungan serat karbon atau rawatan sandblasting permukaan.

Ketebalan lapisan pelindung minimum adalah ≥ 2.5 kali diameter bahan tetulang untuk mengelakkan pemisahan dan pengembangan.

Reka bentuk tetulang yang panjang (λ> 80):

Pengesahan kestabilan mesti dijalankan, atau struktur komposit paip keluli yang dikekang tetulang gentian kaca mesti digunakan.

Hadkan nisbah aspek ke λ ≤ 100 untuk mengelakkan kegagalan dominan Euler.

5 、 Frontiers Research

Simulasi multiscale: Menggunakan model gandingan elemen dinamik molekul, mendedahkan mekanisme kompetitif antara patah serat dan debonding interfacial.

Pemantauan pintar: Membangunkan sistem pemantauan terikan berdasarkan gratings serat Bragg untuk memberikan amaran masa nyata tanda-tanda awal pemisahan dan kerosakan.

Bahan Matriks Baru: Membangunkan matriks resin penyembuhan diri yang melepaskan agen penyembuhan melalui mikrokapsul untuk melambatkan penyebaran retak.

Reka bentuk prestasi mampatan tetulang gentian kaca perlu secara komprehensif mempertimbangkan nisbah aspek, anisotropi bahan, dan kesan gandingan mod kegagalan. Melalui analisis halus dan reka bentuk yang inovatif, potensi aplikasinya dalam senario permintaan yang tinggi seperti kejuruteraan marin dan struktur seismik dapat diperluaskan dengan ketara.