摘要：文章介绍了一种玻璃纤维增强聚合物（glass fiber reinforced polymer；GFRP）增强的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride；PVC）管，包括波纹和非波纹两种，并将其设计为能量吸收装置。PVC 管在外部和内部都使用了 ±45°
摘要：
文章介绍了一种玻璃纤维增强聚合物（glass fiber reinforced polymer；GFRP）增强的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride；PVC）管，包括波纹和非波纹两种，并将其设计为能量吸收装置。PVC 管在外部和内部都使用了 ±45° 方向的 GFRP 复合材料进行增强，并进行了准静态轴向压缩测试。结果表明，所有增强管都表现出比标准 PVC 管更高的承载能力、能量吸收（energy absorption；EA）能力和压溃力效率（crushing force efficiency；CFE）。在测试的样品中，外部增强的波纹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，这些波纹样品在压溃过程中表现出不稳定性，这反映在瞬时压溃力效率（instantaneous crush force efficiency；iCFE）较差，并且在复合材料管中 iCFE 最低，平均下降了 43.59%。
波纹显著增加了初始峰值载荷，增强了压溃前的能量吸收，而没有损害压溃力效率的稳定性。此外，外部和内部增强的结合显着提高了 CFE 和 iCFE。因此，结合波纹、外部和内部增强的 PVC 管在所有测试的管中表现出最佳性能。
此外，使用 ABAQUS 有限元代码和用户定义的子程序开发了一个 3D 有限元（Finite Element ；FE）模型来模拟压溃过程。文章详细介绍了所使用的本构模型和数值过程。有限元模型的预测结果与实验结果具有令人满意的相关性，为压溃力学提供了宝贵的见解，并为未来的设计优化提供了预测工具。
一、引言
随着交通事故的频发，汽车碰撞安全性（耐撞性）已成为汽车设计中的关键考虑因素。车辆在碰撞时需要有效吸收能量，以保护乘客安全。传统的金属材料在吸收能量方面存在局限性，而复合材料由于其优异的性能，例如高强度和低重量，在提高车辆耐撞性方面展现出巨大潜力。目前，许多研究致力于探索复合材料的能量吸收特性，并取得了显著成果。然而，关于复合材料增强传统材料管材的研究相对较少。聚氯乙烯 (PVC) 管材因其轻便、成本低廉等优点，在汽车行业应用广泛。将复合材料与 PVC 管材结合，有望进一步提高其耐撞性能。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由卡塔尔大学机械与工业工程系、汉诺威大学、苏丹科技大学工程学院的研究团队完成的有关GFRP 增强波纹状 PVC 管的耐撞性的研究成果。文章研究了轴向压缩载荷下玻璃纤维增强聚合物 (GFRP) 增强的波纹状和非波纹状聚氯乙烯 (PVC) 管的耐撞性性能，并使用有限元方法进行了数值模拟。论文标题为“Crushing behavior of GFRP composite-reinforced PVC tubes: Experimental testing and numerical simulation”。
二、研究内容
该研究旨在探究玻璃纤维增强聚合物 (GFRP) 复合材料增强的聚氯乙烯 (PVC) 管在轴向压缩下的抗冲击性能。研究人员测试了四种类型的管材：非波纹管（仅外部增强、外部和内部增强）、波纹管（仅外部增强、外部和内部增强）以及未增强的 PVC 管作为对照组。
图1 (a) PVC 样品尺寸 (b) 建议尺寸的波纹管示意图。
图2 (a) NGO 样品尺寸 (b) NGIO 样品尺寸 (c) GO 样品尺寸 (d) GIO 样品尺寸。
研究采用实验和数值模拟相结合的方法研究了 GFRP 增强管材的抗冲击性能。实验方面，使用万能材料试验机对各种管材进行准静态轴向压缩测试，记录载荷-位移曲线，并分析其承载能力、能量吸收能力和压溃力效率等性能指标。数值模拟方面，使用 ABAQUS 有限元软件建立了三维有限元模型，并使用用户自定义子程序模拟了压溃过程，验证了实验结果，并深入分析了压溃机理。
图3 (a) PVC 样品 (b) NGO 样品 (c) NGIO 样品 (d) GO 样品 (e) GIO 样品。
图4 复合材料管 (a) GFRP 复合材料/PVC (b) 55° (c) 65° (d) 90° 压缩后的 SEM 图像 (500× 放大倍数)。
图5 (a) 轴向压缩的 PVC 样品 (b) GIO 样品。
研究结果表明，GFRP 增强管材在抗冲击性能方面显著优于未增强的 PVC 管材，表现出更高的承载能力、能量吸收能力、压溃力效率和瞬时压溃力效率。波纹管由于初始峰值载荷更高，因此在压溃前的能量吸收能力和比能量吸收能力更强。内部和外部增强的管材在压溃力效率和瞬时压溃力效率方面表现更佳，说明其稳定性更好。综合考虑所有因素，内部和外部增强的波纹管 (GIO) 表现最佳。此外，有限元模型能够准确预测压溃过程，为未来的设计优化提供了有价值的工具。
图6 不同加载阶段 PVC 管的失效进展：(a) 初始配置 (b) 3.5 mm (c) 13 mm (d) 36 mm (e) 55 mm (f) 80 mm。
图7 不同加载阶段最佳性能管的失效进展：(a) 初始配置 (b) 5 mm (c) 15 mm (d) 35 mm (e) 47 mm (f) 80 mm。
三、 小结
该研究结果表明，GFRP 增强和波纹状可以有效提高 PVC 管材的耐撞性能。波纹状设计能够提高初始峰值载荷，从而增强压缩过程中的能量吸收能力。内外增强则可以进一步提高压缩力效率，使样品的承载行为更加稳定。通过实验和数值模拟相结合的方法，深入分析了 GFRP 增强波纹状 PVC 管材的压缩行为和失效模式，并揭示了其能量吸收机制。研究结果为未来设计高性能的汽车耐撞性结构提供了重要的理论和实践依据。
原始文献：
Khaled Yousif, Aamir Dean, Elsadig Mahdi. Crushing behavior of GFRP composite-reinforced PVC tubes: Experimental testing and numerical simulation. Composites Science and Technology, 258 (2024) 110903.
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责任编辑：复小可
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来源：科技小树林
