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文章介紹了一種玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（glass fiber reinforced polymer；GFRP）增強(qiáng)的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride；PVC）管，包括波紋和非波紋兩種，并將其設(shè)計為能量吸收裝置。PVC 管在外部和內(nèi)部都使用了 ±45° 方向的 GFRP 復(fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng)，并進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮測試。結(jié)果表明，所有增強(qiáng)管都表現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn) PVC 管更高的承載能力、能量吸收（energy absorption；EA）能力和壓潰力效率（crushing force efficiency；CFE）。在測試的樣品中，外部增強(qiáng)的波紋管比其他配置具有更高的比能量吸收（specific energy absorption；SEA），高出 17.5 kJ/kg。然而，這些波紋樣品在壓潰過程中表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，這反映在瞬時壓潰力效率（instantaneous crush force efficiency；iCFE）較差，并且在復(fù)合材料管中 iCFE 最低，平均下降了 43.59%。 隨著交通事故的頻發(fā)，汽車碰撞安全性（耐撞性）已成為汽車設(shè)計中的關(guān)鍵考慮因素。車輛在碰撞時需要有效吸收能量，以保護(hù)乘客安全。傳統(tǒng)的金屬材料在吸收能量方面存在局限性，而復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能，例如高強(qiáng)度和低重量，在提高車輛耐撞性方面展現(xiàn)出巨大潛力。目前，許多研究致力于探索復(fù)合材料的能量吸收特性，并取得了顯著成果。然而，關(guān)于復(fù)合材料增強(qiáng)傳統(tǒng)材料管材的研究相對較少。聚氯乙烯 (PVC) 管材因其輕便、成本低廉等優(yōu)點，在汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛。將復(fù)合材料與 PVC 管材結(jié)合，有望進(jìn)一步提高其耐撞性能。 近日，《Composites Science and Technology》期刊發(fā)表了一篇由卡塔爾大學(xué)機(jī)械與工業(yè)工程系、漢諾威大學(xué)、蘇丹科技大學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊完成的有關(guān)GFRP 增強(qiáng)波紋狀 PVC 管的耐撞性的研究成果。文章研究了軸向壓縮載荷下玻璃纖維增強(qiáng)聚合物 (GFRP) 增強(qiáng)的波紋狀和非波紋狀聚氯乙烯 (PVC) 管的耐撞性性能，并使用有限元方法進(jìn)行了數(shù)值模擬。論文標(biāo)題為“Crushing behavior of GFRP composite-reinforced PVC tubes: Experimental testing and numerical simulation”。   該研究旨在探究玻璃纖維增強(qiáng)聚合物 (GFRP) 復(fù)合材料增強(qiáng)的聚氯乙烯 (PVC) 管在軸向壓縮下的抗沖擊性能。研究人員測試了四種類型的管材：非波紋管（僅外部增強(qiáng)、外部和內(nèi)部增強(qiáng)）、波紋管（僅外部增強(qiáng)、外部和內(nèi)部增強(qiáng)）以及未增強(qiáng)的 PVC 管作為對照組。  圖1 (a) PVC 樣品尺寸 (b) 建議尺寸的波紋管示意圖。  圖2 (a) NGO 樣品尺寸 (b) NGIO 樣品尺寸 (c) GO 樣品尺寸 (d) GIO 樣品尺寸。 研究采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了 GFRP 增強(qiáng)管材的抗沖擊性能。實驗方面，使用萬能材料試驗機(jī)對各種管材進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮測試，記錄載荷-位移曲線，并分析其承載能力、能量吸收能力和壓潰力效率等性能指標(biāo)。數(shù)值模擬方面，使用 ABAQUS 有限元軟件建立了三維有限元模型，并使用用戶自定義子程序模擬了壓潰過程，驗證了實驗結(jié)果，并深入分析了壓潰機(jī)理。  圖3 (a) PVC 樣品 (b) NGO 樣品 (c) NGIO 樣品 (d) GO 樣品 (e) GIO 樣品。  圖4 復(fù)合材料管 (a) GFRP 復(fù)合材料/PVC (b) 55° (c) 65° (d) 90° 壓縮后的 SEM 圖像 (500× 放大倍數(shù))。  圖5 (a) 軸向壓縮的 PVC 樣品 (b) GIO 樣品。 研究結(jié)果表明，GFRP 增強(qiáng)管材在抗沖擊性能方面顯著優(yōu)于未增強(qiáng)的 PVC 管材，表現(xiàn)出更高的承載能力、能量吸收能力、壓潰力效率和瞬時壓潰力效率。波紋管由于初始峰值載荷更高，因此在壓潰前的能量吸收能力和比能量吸收能力更強(qiáng)。內(nèi)部和外部增強(qiáng)的管材在壓潰力效率和瞬時壓潰力效率方面表現(xiàn)更佳，說明其穩(wěn)定性更好。綜合考慮所有因素，內(nèi)部和外部增強(qiáng)的波紋管 (GIO) 表現(xiàn)最佳。此外，有限元模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測壓潰過程，為未來的設(shè)計優(yōu)化提供了有價值的工具。  圖6 不同加載階段 PVC 管的失效進(jìn)展：(a) 初始配置 (b) 3.5 mm (c) 13 mm (d) 36 mm (e) 55 mm (f) 80 mm。  圖7 不同加載階段最佳性能管的失效進(jìn)展：(a) 初始配置 (b) 5 mm (c) 15 mm (d) 35 mm (e) 47 mm (f) 80 mm。 該研究結(jié)果表明，GFRP 增強(qiáng)和波紋狀可以有效提高 PVC 管材的耐撞性能。波紋狀設(shè)計能夠提高初始峰值載荷，從而增強(qiáng)壓縮過程中的能量吸收能力。內(nèi)外增強(qiáng)則可以進(jìn)一步提高壓縮力效率，使樣品的承載行為更加穩(wěn)定。通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入分析了 GFRP 增強(qiáng)波紋狀 PVC 管材的壓縮行為和失效模式，并揭示了其能量吸收機(jī)制。研究結(jié)果為未來設(shè)計高性能的汽車耐撞性結(jié)構(gòu)提供了重要的理論和實踐依據(jù)。 |
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