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公眾號
碳纖維增強聚合物(CFRP)複合材料結構由於其優異的效能，近幾十年來受到航空航天、汽車、體育器材、風力發電等多個行業的高度關注。在這些複合結構中，由於CFRP管有高比強度和優良的吸能效能，已被廣泛的研究和應用在交通工具上。
CFRP管通常作為汽車吸能盒和防護結構而被研究和應用。較多的研究者通常使用實驗和模擬的方法來研究CFRP管的失效機理。為了進一步提高CRFP管的吸能能力，一些研究使用鋁蜂窩和鋁泡沫等材料作為填料來研究其對增強CFRP管能量吸收的影響。然而，儘管複合結構(如複合夾芯板、CSP)在能量吸收方面有許多優點，但對增強CFRP管複合結構的相關研究有限。此外，目前的數值模擬模型只考慮單向或編織層複合材料，雖然“混合層型”複合材料包括單向層和編織層是很常見的，但可用的相關模擬模型及被報道的資訊都很少。
近日，悉尼大學的Chen Yuan（第一作者兼通訊作者）及其團隊，在《Composite Structures》上發表了題為“Progressive failure of CFRP tubes reinforced with composite sandwich panels: Numerical analysis and energy absorption”的文章，作者研究了一種新型的CFRP管，透過複合夾芯板(CSPs)增強以提高CFRP管的能量吸收能力。首先，使用環氧樹脂粘合劑透過底部約束製造鋪層順序為[03/902/03/03/03/(0/90)]的CSP增強CFRP管，然後進行載入速率為2mm/min的準靜態壓縮實驗。隨後，基於層內失效的連續損傷力學和CFRP材料層間損傷的內聚力方法以及蜂窩的彈塑性模型，建立了數值模型以預測複合材料管的漸進失效。最後，透過管的能量吸收和失效機理的實驗研究驗證了數值模擬結果。
圖 1 CFRP管在運輸工具上的應用：(a)直升機，(b)汽車
圖 2 文中CSP-CFRP管的組成及其基本幾何引數
圖 3 CFRP材料和蜂窩芯的數值建模細節
圖 4 CFRP管在實驗和模擬中的力-位移曲線
圖 5 CFRP管在模擬（左）和實驗（右）中的失效行為
圖 6 CSP-CFRP管在實驗和模擬中的力-位移曲線
圖 7 CSP-CFRP管在模擬（左）和實驗（右）中的失效行為
圖 8 CFRP和CSP-CFRP管的實驗和數值結果對比：(a)PCF-EA、(b)CFE和SEA
該研究開發了一種用於增強CFRP管能量吸收能力的新型CSP-CFRP管。實驗結果表明，CSP增強CFRP管的總能量吸收和破碎力效率比未強化CFRP管分別大37%和24%，雖然相應的特定能量吸收略有下降1%，但是依然能夠表明該複合管的能量吸收情況有整體改善。此外，所提出的數值模型為預測不同層型別（即單向、編織)複合材料和含有複雜成分（層、蜂窩）的複合結構的漸進失效提供了一種新的可用方法。最後，開發了一種有效的，用於設計針對工程能量吸收應用的 CSP-CFRP 管的預測方法。
原始文獻：Chen Yuan ,Ye Lin,Fu Kunkun.Progressive failure of CFRP tubes reinforced with composite sandwich panels: Numerical analysis and energy absorption[J].Composite Structures，2021，263：113674.
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