一种用于预测压力玻璃纤维增强管道撞击损伤的工程方法

《Polymer Testing》：An engineering approach for predicting impact damage in pressurised glass fibre reinforced pipes

本研究通过虚拟方法和实验测试（HVI和LVI）评估GFRP管道的冲击损伤，发现表面应力状态显著影响损伤程度，并建立冲击能量与表面/内部损伤的保守关系式，优化验证效率。

　　在当前的工程实践中，复合材料因其轻质、高强度和优异的耐腐蚀性等特性被广泛应用于航空航天、汽车制造以及土木工程等领域。然而，这些材料在实际应用中仍然面临诸多挑战，尤其是在受到冲击载荷时的损伤行为。为了更好地理解和预测复合材料在冲击下的性能表现，本文提出了一种结合实验与虚拟模拟的冲击测试方法，重点研究了高冲击速度（HVI）和低冲击速度（LVI）对玻璃纤维增强塑料（GFRP）管道组件的影响。通过这种方法，研究人员能够在减少物理实验次数的同时，提高对复合材料性能评估的准确性和效率。

### 复合材料的特性与冲击测试的重要性

GFRP作为一种典型的纤维增强复合材料，具有良好的机械性能和化学稳定性，常用于制造承受内部压力的管道系统。然而，其在受到外部冲击时的表现却较为复杂，因为冲击载荷不仅会导致表面损伤，还可能引发纤维断裂、基体开裂以及层间剥离等深层次损伤。因此，为了准确评估这些材料在实际应用中的安全性，必须深入研究其在不同冲击能量下的损伤演化过程。

实验测试是评估复合材料冲击性能的一种直接方式，但受限于成本和时间，仅依赖物理实验并不总是可行。为此，研究人员采用虚拟冲击测试和数值模拟方法，通过建立有限元模型（FEM）来预测冲击下的损伤情况。这种方法不仅能够提供详细的材料响应数据，还能通过调整模型参数，模拟各种可能的冲击条件，从而为实际应用提供有价值的参考。

### 实验测试方法与参数设置

本文中，研究人员对两种不同类型的冲击测试进行了实验验证：高冲击速度（HVI）和低冲击速度（LVI）。HVI测试使用了气体枪装置，而LVI测试则采用了落锤冲击装置。测试对象是GFRP管道组件，其中包括未预加压和预加压的样本。通过调整冲击能量和速度，研究人员能够获得不同冲击条件下材料的损伤特征。

在实验过程中，样本的尺寸和材料特性对测试结果有着重要影响。例如，样本的宽度、厚度以及纤维的缠绕角度都会影响冲击时的应力分布和损伤模式。为了确保测试的准确性，样本被加工成特定的尺寸，如宽度70 mm、厚度15 mm、直径280 mm，并且纤维缠绕角度被设定为±55°和±85°。这些参数的选择旨在模拟真实管道在受压状态下的行为，并评估不同应力状态下材料的损伤响应。

在测试过程中，研究人员还考虑了冲击能量与损伤大小之间的关系。通过对比实验数据与数值模拟结果，他们发现冲击能量与表面损伤和纤维断裂之间存在一定的相关性。这种关系对于优化材料设计和预测结构寿命具有重要意义。例如，对于未加压的样本，冲击能量的增加通常会导致更大的表面损伤和更深层的纤维断裂。而在加压状态下，由于存在附加的应力，冲击对材料的影响会更加复杂，需要更精细的模拟和实验验证。

### 数值模拟方法与模型开发

为了更好地模拟GFRP管道在冲击下的损伤行为，研究人员采用了Hashin损伤模型。该模型能够区分纤维和基体的破坏模式，并预测损伤的起始和演化过程。在ABAQUS软件中，Hashin模型被用于建立复合材料的有限元分析模型，以评估不同冲击条件下的损伤响应。

模型的建立过程涉及多个步骤，包括材料属性的定义、网格划分的优化以及边界条件的设置。研究人员通过调整网格密度和元素类型，确保模型能够准确捕捉材料在冲击下的行为，同时避免计算资源的浪费。此外，为了提高模型的准确性，还采用了多种方法，如视觉评估、超声波检测（C-Scan）等，对实验数据进行了详细分析。

在模型验证过程中，研究人员发现，虽然数值模拟结果与实验数据之间存在一定的差异，但这些差异主要来自于材料属性的天然波动以及实验条件的不确定性。例如，在GFRP材料的测试中，测量误差通常在±15%左右，这表明在实际应用中，需要对模型的预测结果进行适当的调整和校正。

### 冲击测试与损伤分析的结果

实验结果显示，冲击能量的增加会导致更大的表面损伤和更深层的纤维断裂。对于未加压的样本，当冲击能量为120 J时，表面损伤和纤维断裂都显著增加。而对于加压样本，由于存在额外的压缩应力，冲击对材料的影响更加复杂，需要更详细的分析。例如，在加压状态下，表面张力和压缩力的不同组合会导致不同的损伤模式，从而影响材料的完整性。

在数值模拟中，研究人员发现，冲击能量与损伤大小之间存在一定的线性关系。这种关系可以通过简单的公式进行描述，如c/a = 10，其中c代表表面损伤，a代表纤维断裂深度。该公式表明，表面损伤的大小与纤维断裂深度之间存在一定的比例关系，这对于评估复合材料的耐久性和抗冲击性能具有重要意义。

此外，研究人员还发现，不同厚度的样本对冲击的响应存在差异。例如，当样本厚度增加时，表面损伤和纤维断裂的深度也会相应增加。这表明，在设计复合材料管道时，必须考虑到材料的厚度和纤维缠绕方向，以确保其在各种冲击条件下的安全性和可靠性。

### 结论与应用前景

综上所述，本文的研究表明，GFRP管道在受到不同冲击能量时的损伤行为具有显著的特征。通过结合实验测试和数值模拟，研究人员能够更准确地预测材料的损伤程度，并为实际应用提供有价值的参考。此外，研究还发现，冲击能量与表面损伤和纤维断裂之间存在一定的关系，这为优化材料设计和评估结构寿命提供了理论依据。

在实际工程应用中，这种结合实验与虚拟测试的方法具有重要的意义。它不仅可以减少物理实验的次数，还能提高对复合材料性能评估的准确性。此外，研究还强调了在设计和制造过程中，必须考虑到材料的厚度和纤维缠绕方向，以确保其在各种冲击条件下的安全性和可靠性。通过这种方法，工程师可以更好地预测复合材料在实际应用中的表现，并优化其设计以提高整体性能。