使用RELAP5代码对DYNASTY自然循环回路进行建模与验证

《Results in Engineering》：Modeling and Validation of the DYNASTY natural circulation loop with the RELAP5 code

提出端推夹具法（EPC）用于测试高性能玻璃纤维增强聚合物（PGFRP）复合材料，解决传统标准测试在负载转移、结构破坏等方面的不足。通过实验验证，EPC方法能有效避免 grip 部分早期失效，适用于厚度达30毫米、强度超1300MPa的材料，并已纳入中国标准 T/CSTM 01346-2025。

　　PGFRP（Pultruded Glass Fiber Reinforced Polymer，拉挤玻璃纤维增强聚合物）复合材料因其卓越的性能和广泛的应用前景，近年来在工程领域受到了越来越多的关注。这种材料具有高比强度、高比刚度、优异的耐腐蚀性以及较低的碳排放，因此在建筑、桥梁、风力涡轮机、轨道交通、海上结构等多个领域展现出巨大的应用潜力。然而，随着技术的进步，PGFRP复合材料的性能也得到了显著提升，例如一些材料的纵向拉伸强度可以达到1300 MPa以上，而一些结构件的板厚甚至可以达到25 mm或更高。面对这些高性能材料，传统的测试方法可能已经无法满足需求，因为它们的设计和使用方式主要针对较低强度和较薄的材料。因此，有必要开发一种新的测试方法，以准确评估这些新型材料的性能。

### 传统测试方法的局限性

现有的标准测试方法，如ISO 527和ASTM D3039，主要依赖于粘接端板（end-tabs）来传递拉力。这些端板通过摩擦力将载荷传递给试样，但这种方法存在一定的局限性。首先，粘接端板的剪切强度有限，通常在50 MPa以下，因此对于高强度或厚板试样，传统的端板可能无法有效传递所需的载荷，从而导致试样在夹持区域提前失效。其次，为了使试样在夹持区域保持完整，传统方法需要将试样的厚度和宽度大幅减小，这不仅改变了试样的原始结构，还可能影响其实际性能的测量结果。例如，ISO 527标准要求将试样厚度减小至1 mm，这在一定程度上破坏了材料的RMC（Roving-Matrix-CSM）结构，使得测量结果与真实性能存在偏差。

此外，对于厚度较大的PGFRP试样，传统的端板设计往往难以提供足够的夹持力，尤其是在没有特殊粘合剂或处理的情况下。这使得试样在夹持区域的失效成为不可避免的问题，进而影响了测试的准确性和可靠性。在一些情况下，测试结果可能不得不采用弯曲强度来代替拉伸强度，而弯曲强度通常低于真实拉伸性能，导致数据失真。因此，现有的测试方法在面对高强或厚板PGFRP复合材料时，存在测试效率低、测试结果不准确以及夹持区域失效等问题。

### EPC方法的提出与原理

为了克服上述问题，研究人员提出了一种新的拉伸测试方法，称为“端推夹具法”（End-Pushing Clamp Method，简称EPC方法）。EPC方法的核心思想是通过压缩载荷代替传统的剪切载荷，从而实现更可靠的力传递机制。这种方法的灵感来源于木材的拉伸测试标准ASTM D143，其中通过压缩作用在试样两端，避免了夹持区域的摩擦失效问题。

EPC方法的测试夹具和标准试样设计都围绕这一核心理念展开。测试夹具由高强度钢制成，通过连接杆将载荷传递到试样的两端。试样两端被设计为压缩区域，而非传统的夹持区域。这种设计使得试样在受力过程中主要依靠自身的压缩强度，而不是端板的粘接强度或摩擦力。同时，试样的中部区域（即测量段）被设计为具有较大的横截面积，以确保在测量过程中保持RMC结构的完整性。

### EPC方法的优势

EPC方法在多个方面具有显著优势。首先，它能够有效避免传统测试中常见的夹持区域失效问题，从而提高测试的可靠性和准确性。其次，EPC方法适用于不同类型的PGFRP复合材料，包括高强和厚板材料。对于高强材料（如风力涡轮机的spar cap板），EPC方法能够提供更精确的拉伸强度和刚度测量，而不会因夹持区域的失效而导致数据偏差。对于厚板材料（如桥梁结构），EPC方法也能有效传递所需的载荷，而不需要对试样进行大幅减薄，从而保持其结构特性。

此外，EPC方法还具有良好的鲁棒性，能够适应不同厚度和强度的PGFRP材料。通过调整试样的过渡长度（transition length）和压缩区域的设计，可以确保在各种情况下都能实现有效的力传递。例如，对于由E玻璃纤维制成的试样，推荐的过渡长度为60 mm；而对于高模量玻璃纤维制成的试样，过渡长度则应增加至125 mm或更高，以适应更高的载荷需求。

### 实验验证

为了验证EPC方法的有效性，研究人员进行了两组实验，分别针对大厚度PGFRP材料和高强PGFRP材料。在第一组实验中，测试了三种不同厚度的PGFRP试样，分别为6 mm、8 mm和15 mm。这些试样由南京 Spare Composites Co., Ltd. 提供，其中15 mm厚度的试样具有特别的研究价值，因为它们代表了当前市场上较为少见的厚板PGFRP材料。实验结果显示，EPC方法能够准确测量这些试样的拉伸性能，并且所有试样均能被加载至最终失效，而没有出现夹持区域的提前破坏。同时，实验还表明，EPC方法能够有效减少由于试样几何形状不规则或材料缺陷导致的误差，从而提高测试的重复性和一致性。

在第二组实验中，研究人员针对高强PGFRP材料进行了测试。这些材料通常用于风力涡轮机的spar cap板，其拉伸强度可以达到1300 MPa以上。实验结果显示，当过渡长度为125 mm时，EPC方法的测试结果与ISO 527方法的基准值之间的差异小于2.30%，这表明EPC方法在高强材料测试中具有较高的准确性。此外，实验还表明，EPC方法能够有效避免因夹持区域失效而导致的数据偏差，从而提供更可靠的结果。

### 应用前景

EPC方法的提出，不仅解决了传统测试方法在高强和厚板PGFRP材料中的局限性，还为未来更大规模和更重载的应用提供了新的测试手段。随着PGFRP材料技术的不断发展，未来可能会出现同时具备高强和厚板特性的复合材料，这些材料在建筑、交通、能源等领域具有广阔的应用前景。例如，未来的大型桥梁结构、轻量化汽车底盘、抗腐蚀的船舶结构等，都可能需要使用高强厚板PGFRP材料，而EPC方法能够准确评估这些材料的性能，为其在工程中的应用提供科学依据。

此外，EPC方法的推广和应用，也有助于推动PGFRP材料在更多领域的使用。目前，PGFRP材料的应用仍然受到其性能测试方法的限制，而EPC方法的引入，可以为研究人员和工程师提供更准确的性能数据，从而促进材料的进一步优化和应用。随着该方法被中国标准化委员会（CSTM）正式采纳为标准测试方法（T/CSTM 01346-2025），其在行业内的推广速度将加快，有助于提升PGFRP材料的市场竞争力和工程应用范围。

### 未来展望

尽管EPC方法在当前的实验中已经表现出良好的性能和可靠性，但仍有一些局限性需要进一步研究和改进。例如，目前尚未对EPC方法中试样的应力集中问题进行系统分析，而应力集中可能会影响试样的破坏机制和测量结果。因此，未来的研究可以结合数字图像相关（DIC）技术或有限元建模（FEM）方法，对试样的应力应变场进行更详细的分析，以进一步优化测试方法。

此外，EPC方法在测试过程中可能受到试样加工精度、安装方式和测试设备性能等因素的影响，因此在实际应用中需要严格控制这些变量，以确保测试结果的一致性和准确性。同时，随着PGFRP材料技术的不断发展，EPC方法也需要不断更新和完善，以适应新型材料的测试需求。

总的来说，EPC方法的提出和应用，为高强厚板PGFRP材料的性能测试提供了一种新的解决方案。它不仅能够有效避免传统测试中的夹持区域失效问题，还能够准确测量材料的拉伸性能，为未来更大规模和更重载的工程应用奠定基础。随着该方法的推广和应用，PGFRP材料的潜力将得到更充分的发挥，为可持续发展和高性能结构设计提供强有力的支持。