对FRP复合管力学性能的全面实验性研究（下）

图 9.对应于管道类别 DN350 的平均轴向和平均环向拉伸强度及其相关标准偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

图 10.对应于管道类别DN500 的平均轴向和平均环向拉伸强度及其相关标准偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

图 11.对应于管道类别DN700 的平均轴向和平均环向拉伸强度及其相关标准偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

图 12.对应于管道类别 DN800 的平均轴向和平均环向拉伸强度及其相关标准偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

表 2.平均轴向和平均环向拉伸强度

从图 9、图 10、图 11、图 12 和表 2 中可以看出，对于给定的压力等级，当转向更高的刚度等级时，轴向拉伸强度会降低。而对于给定的刚度等级，当转向更高的压力等级时，轴向拉伸强度会增加，这证实了克服更高压力所需的增强强度要求。值得注意的是，在较高刚度等级中，强度担忧的增加是微不足道的；事实上，对于对应于刚度等级 SN 3 的压力等级 PN 6 和 PN 10000，强度担忧为零。这主要是由于刚度等级 SN 10000 的最小轴向拉伸强度要求，超过了压力等级 PN 3 和 PN 6 的强度要求。

同样，通过图 9、图 10、图 11、图 12 和表 2 的可视化分析，对于给定的压力等级，通常随着转向更高的刚度等级，箍抗拉强度会降低，压力等级 PN 3 除外，其影响微乎其微或几乎没有。因此，较高的刚度等级具有较低的环向抗拉强度；而对应于 PN 3 的例外情况突显了相关压力等级所需的最小环向抗拉强度，超过了刚度等级 SN 2500、SN 5000 和 SN 10000 的强度要求。对于给定的刚度等级，与轴向拉伸强度相似，当转向更高的压力等级时，环向拉伸强度也会增加，这进一步证实了克服更高压力所需的增强强度要求。值得注意的是，在较高刚度等级下，环向抗拉强度担忧的增加是微不足道的；事实上，对于对应于刚度等级 SN 3 的压力等级 PN 6 和 PN 10000，强度担忧为零。这主要是由于刚度等级 SN 10000 的最小环向拉伸强度要求，超过了压力等级 PN 3 和 PN 6 的强度要求。

图 13、图 14 分别显示了颗粒 FRP 复合管中平均轴向和平均环向抗拉强度的变化与颗粒增强材料（沙子）的平均组成的变化。尽管数据中存在一定数量的散射，但一阶多项式曲线拟合表明，颗粒增强材料的平均组成增加会导致平均轴向和平均环向抗拉强度降低。虽然，较高的颗粒增强量增强了颗粒 FRP 复合管的刚度并降低了成本，但正如实验结果所证明的那样，应谨慎使用多少颗粒增强。

图 13.对应于颗粒增强的平均组成的平均轴向拉伸强度的变化

图 14.对应于颗粒增强的平均组成的平均环抗拉强度的变化

图 15、图 16 分别显示了颗粒 FRP 复合管中平均轴向和平均环向拉伸强度的变化与树脂平均组成的变化。与颗粒增强相比，树脂成分的平均变化要小得多，因为它从 25% 到 32% 不等。从总体数据中可以证明，当树脂成分增强时，轴向和环向拉伸强度会增加。除了提高整体强度外，树脂还可以使纤维保持在适当的位置和方向，并保护复合结构免受环境破坏。

图 15.对应于树脂平均成分的平均轴向拉伸强度的变化

图 16.对应于树脂平均成分的平均环向拉伸强度的变化

图17、图 18分别显示了微粒 FRP 复合管中平均轴向和平均环向抗拉强度的变化与切碎玻璃平均成分的变化。与对应于颗粒增强和树脂的分散数据集相比，平均短切玻璃成分和平均轴向拉伸强度之间的线性关系非常明显。这基本上是合乎逻辑的，因为在所有组成材料中，短切玻璃是对颗粒 FRP 复合管中环状缠绕的轴向拉伸强度值（缠绕角度为 89° 度）有重大贡献的材料。短切玻璃的平均成分变化带与树脂非常相似，因为它从 8% 到 15% 不等。尽管与平均环状抗拉强度相关的数据中存在一定量的散射，但当根据 1 阶多项式曲线拟合增强切碎玻璃成分时，它仍然会增加。斩玻璃通过加强复合材料的较弱面，有助于协调复合材料的整体强度。因此，较多的碎玻璃可能会导致颗粒 FRP 复合管中薄弱/弱化区域的强化。

图17.对应于短切玻璃的平均成分的平均轴向拉伸强度的变化

图 18.对应于切碎玻璃的平均成分的平均环抗拉强度的变化

图 19、图 20 分别显示了颗粒 FRP 复合管中平均轴向和平均环状拉伸强度的变化与玻璃纤维（环状玻璃）平均组成的变化。玻璃纤维成分的变化比切碎玻璃略宽，因为它从 9% 到 25% 不等。从总体数据中可以看出，当平均玻璃纤维成分增强时，平均轴向拉伸强度会增加。平均玻璃纤维组成与平均环向拉伸强度之间的线性关系很尖锐。这又是合乎逻辑的，因为在所有组成材料中，玻璃纤维是唯一直接影响颗粒 FRP 复合管中环状缠绕的环向拉伸强度（缠绕角度为 89° 度）的材料。

图 19.对应于环状玻璃平均成分的平均轴向拉伸强度的变化

图 20.对应于环状玻璃的平均成分的平均环状抗拉强度的变化

3 结语

本研究对颗粒增强纤维复合材料（FRP）管在轴向和环向拉伸强度方面进行了全面的实验研究，深入探讨了组成材料对这些力学性能的影响。通过一系列精心设计的实验，我们分析了不同类型的纤维、颗粒以及它们的配比对复合管性能的具体作用。研究结果揭示了材料组成与复合管轴向和环向拉伸强度之间的关系，为工程师和制造业专业人士提供了重要的设计指导和参考依据。这些发现不仅有助于优化复合材料的性能，而且对于提高相关产品的可靠性和延长使用寿命具有重要意义。

1) 基体裂纹和分层是颗粒FRP复合管在承受轴向拉伸破坏载荷时的主要失效模式。纤维断裂则是管道在承受环向拉伸载荷时的典型失效模式。

2) 具有卓越轴向拉伸强度的管道设计应包含更高比例的短切玻璃。而具有出色环向抗拉强度的管道设计则应包含更高比例的环状玻璃。

3) 增加颗粒增强的比例将提升管道刚度并降低成本。然而，观察发现，较高比例的颗粒增强会导致轴向和环向强度的降低。

4) 考虑到圆周（环状）缠绕配置，在轴向和环向拉伸载荷下观察到的主要失效模式显得合乎逻辑，因为轴向载荷总是垂直于缠绕轴线作用，而环向载荷则沿圆周方向作用。

5) 组成材料的比例对管道性能具有显著影响。因此，针对特定设计要求优化性能是可行的，且仅受限于现有实验数据库的范围。

参考文献：

Farrukh Saghir, Scott Gohery, F. Mozafari, N. Moslemi, Colin Burvill, Alan Smith, Stuart Lucas,Mechanical characterization of particulated FRP composite pipes: A comprehensive experimental study,Polymer Testing,Volume 93,2021,107001,ISSN 0142-9418,https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.107001.