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Dec 19, 2023

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Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21101 (2022) Citare questo articolo

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Il presente articolo esplora sperimentalmente l'influenza dell'ibridazione delle fibre e della sequenza di stratificazione sul comportamento di resistenza all'urto e sulla storia della deformazione dei tubi a parete sottile polimero/metallo. I tubi di iuta (J)/vetro (G) rinforzati con resina epossidica su alluminio (Al) avvolti sono stati preparati mediante avvolgimento manuale a umido e quindi sottoposti a carichi di compressione assiali quasi statici. I grafici del carico rispetto allo spostamento e gli indicatori di impatto, ovvero il carico di schiacciamento di picco (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\)), il carico di schiacciamento medio (\({\mathrm{F}}_{ \mathrm{m}}\)), assorbimento di energia totale (\(\mathrm{U})\), assorbimento di energia specifica \(\left(\mathrm{SEA}\right)\), ed efficienza della forza di schiacciamento \( \left(\mathrm{CFE}\right)\) sono stati determinati. I risultati sperimentali hanno rivelato che il massimo \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) è stato registrato per tubi Al/2J/4G/2J con un valore di circa 42,92 kJ/g, con un miglioramento del 20,56% in \ (\left(\mathrm{SEA}\right)\) rispetto ai tubi in alluminio puro. I campioni Al/2J/4G/2J mostrano il massimo (\(\mathrm{U})\), \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) e \(\left(\mathrm{CFE} \right)\) e potrebbero essere impiegati come elementi che assorbono energia nelle automobili.

Recentemente, le sezioni a parete sottile sono state ampiamente utilizzate come componenti resistenti agli urti nelle industrie automobilistica e ferroviaria a causa dei loro numerosi vantaggi, tra cui elevata capacità di assorbimento di energia, elevata rigidità, elevata resistenza, elevata resistenza alla corrosione, peso ridotto, basso costo e facilità di fabbricazione1,2. La "resistenza all'urto" può essere definita come la capacità di un veicolo di resistere agli urti con lesioni o danni minimi a persone o beni3,4. Il tipo di materiale è un fattore importante che influisce sulle prestazioni dei dispositivi resistenti agli urti5. Convenzionalmente è possibile utilizzare materiali metallici grazie alla deformazione plastica controllabile6. Al contrario, i compositi polimerici sono ampiamente utilizzati per la rispettabile rigidità e/o resistenza specifica e per l'eccellente capacità di assorbimento di energia. I compositi non presentano deformazioni plastiche a causa della fragilità. I materiali compositi assorbono energia mediante frantumazione e delaminazione7,8.

Gli ibridi sono stati adattati negli assorbitori di energia poiché combinano la deformazione plastica dei materiali metallici e una maggiore rigidità e/o resistenza specifica dei compositi9,10. Molti studiosi hanno esaminato le prestazioni di collasso dei tubi ibridi. Babbage e Mallick11 hanno studiato sperimentalmente le prestazioni di frantumazione assiale dei tubi di alluminio (\(\mathrm{Al}\)) rivestiti in vetro e resina epossidica. L'angolo di orientamento del vetro E era di ± 45° o ± 75° rispetto all'asse del tubo. Sono stati adattati tubi circolari e quadrati (\(\mathrm{Al}\)). Alcuni tubi erano riempiti con schiuma epossidica. I risultati hanno indicato che con l'aumento del numero di strati di vetro E i parametri di resistenza all'urto verranno migliorati. I parametri di rottura dei tubi ibridi rotondi sono migliori di quelli quadrati. L'angolo di orientamento di ± 45° fornisce parametri di impatto migliori rispetto a quelli di ± 75°. Kalhor e Case12 hanno scoperto che il sovraavvolgimento di strati epossidici rinforzati con vetro S2 su cilindri quadrati di acciaio inossidabile (St) potrebbe alterare la modalità di collasso da scissione con bassa energia assorbita totale (\(\mathrm{U})\) a modalità simmetrica o mista con alta (\(\mathrm{U})\) e bassa oscillazione nella fase post-incidente. Il numero di strati di vetro/resina epossidica nei cilindri ibridi ha un effetto importante su (\(\mathrm{U})\). È stato adattato un nuovo meccanismo di innesco che altera la risposta al collasso in una modalità di collasso simmetrico e di conseguenza migliora l'efficienza della forza di schiacciamento \(\left(\mathrm{CFE}\right)\) degli ibridi proposti.

Liu et al.13,14 hanno studiato il comportamento all'urto di strutture a nido d'ape in plastica rinforzata con fibra di carbonio (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) sotto carico assiale. I risultati hanno indicato che la forza di schiacciamento di picco (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\)) e (\(\mathrm{U}\)) di (\(\mathrm{CFRP}\) ) le strutture riempite migliorano del 10% rispetto a quelle non riempite. Riducendo la lunghezza della divisione a nido d'ape \((\mathrm{Al})\), \((\mathrm{U})\) aumenta gradualmente mentre \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) diminuisce. La resistenza alla collisione dei materiali ibridi è stata studiata in letteratura. Zhu et al.15 hanno studiato gli indicatori di crash tra cui \((\mathrm{U})\) e la risposta al fallimento di tre (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\) ) configurazioni soggette a carichi assiali quasi statici. Per confronto, sono stati testati cilindri vuoti (\(\mathrm{Al}\)) e (\(\mathrm{CFRP}\)). I risultati sperimentali hanno indicato che il cilindro Hi ie, (\(\mathrm{Al}\)) con il cilindro interno (\(\mathrm{CFRP}\)) ottiene i migliori risultati. Hi è stato studiato analiticamente dal punto di vista del costo e della leggerezza. È stato riportato che per lo stesso cilindro \((\mathrm{U})\), Hi riduce il costo del 32,1% rispetto al cilindro (\(\mathrm{CFRP}\)) e riduce il peso del 33,6% rispetto al cilindro (\ (\mathrm{Al}\)) cilindro. Hi potrebbe essere adattato per l'assorbimento di energia. Sun et al.16 hanno studiato le prestazioni di frantumazione quasi-statica di tubi ibridi (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) preparati mediante avvolgimento di filamenti. È stato riferito che l'angolo di avvolgimento e lo spessore della parete del provino hanno un effetto importante sul meccanismo di rottura e sui parametri di frantumazione. Aumentando l'angolo di avvolgimento si diminuiscono \(\left(\mathrm{SEA}\right)\), \((\mathrm{U})\), e \(({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip }})\) di tubi ibridi (\(\mathrm{CFRP}\)) e (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)). Aumentando lo spessore del tubo (\(\mathrm{CFRP}\)) si migliorano \(\left(\mathrm{SEA}\right)\), \((\mathrm{U})\), e \(({\mathrm {F}}_{\mathrm{ip}})\) di (\(\mathrm{CFRP}\)) e (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\) ) ibridi. Con un angolo di avvolgimento di 25° e 9 strati di (\(\mathrm{CFRP}\)), \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) di (\(\mathrm{CFRP}\)) e I tubi (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) erano i migliori (48,74 e 79,05 J/g). Inoltre, \((\mathrm{U})\) del tubo ibrido (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) supera la somma dei suoi componenti.