圖 9.對(duì)應(yīng)于管道類別 DN350 的平均軸向和平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

圖 10.對(duì)應(yīng)于管道類別DN500 的平均軸向和平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

圖 11.對(duì)應(yīng)于管道類別DN700 的平均軸向和平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

圖 12.對(duì)應(yīng)于管道類別 DN800 的平均軸向和平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

表 2.平均軸向和平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度

從圖 9、圖 10、圖 11、圖 12 和表 2 中可以看出，對(duì)于給定的壓力等級(jí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向更高的剛度等級(jí)時(shí)，軸向拉伸強(qiáng)度會(huì)降低。而對(duì)于給定的剛度等級(jí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向更高的壓力等級(jí)時(shí)，軸向拉伸強(qiáng)度會(huì)增加，這證實(shí)了克服更高壓力所需的增強(qiáng)強(qiáng)度要求。值得注意的是，在較高剛度等級(jí)中，強(qiáng)度擔(dān)憂的增加是微不足道的；事實(shí)上，對(duì)于對(duì)應(yīng)于剛度等級(jí) SN 3 的壓力等級(jí) PN 6 和 PN 10000，強(qiáng)度擔(dān)憂為零。這主要是由于剛度等級(jí) SN 10000 的最小軸向拉伸強(qiáng)度要求，超過了壓力等級(jí) PN 3 和 PN 6 的強(qiáng)度要求。

同樣，通過圖 9、圖 10、圖 11、圖 12 和表 2 的可視化分析，對(duì)于給定的壓力等級(jí)，通常隨著轉(zhuǎn)向更高的剛度等級(jí)，箍抗拉強(qiáng)度會(huì)降低，壓力等級(jí) PN 3 除外，其影響微乎其微或幾乎沒有。因此，較高的剛度等級(jí)具有較低的環(huán)向抗拉強(qiáng)度；而對(duì)應(yīng)于 PN 3 的例外情況突顯了相關(guān)壓力等級(jí)所需的最小環(huán)向抗拉強(qiáng)度，超過了剛度等級(jí) SN 2500、SN 5000 和 SN 10000 的強(qiáng)度要求。對(duì)于給定的剛度等級(jí)，與軸向拉伸強(qiáng)度相似，當(dāng)轉(zhuǎn)向更高的壓力等級(jí)時(shí)，環(huán)向拉伸強(qiáng)度也會(huì)增加，這進(jìn)一步證實(shí)了克服更高壓力所需的增強(qiáng)強(qiáng)度要求。值得注意的是，在較高剛度等級(jí)下，環(huán)向抗拉強(qiáng)度擔(dān)憂的增加是微不足道的；事實(shí)上，對(duì)于對(duì)應(yīng)于剛度等級(jí) SN 3 的壓力等級(jí) PN 6 和 PN 10000，強(qiáng)度擔(dān)憂為零。這主要是由于剛度等級(jí) SN 10000 的最小環(huán)向拉伸強(qiáng)度要求，超過了壓力等級(jí) PN 3 和 PN 6 的強(qiáng)度要求。

圖 13、圖 14 分別顯示了顆粒 FRP 復(fù)合管中平均軸向和平均環(huán)向抗拉強(qiáng)度的變化與顆粒增強(qiáng)材料（沙子）的平均組成的變化。盡管數(shù)據(jù)中存在一定數(shù)量的散射，但一階多項(xiàng)式曲線擬合表明，顆粒增強(qiáng)材料的平均組成增加會(huì)導(dǎo)致平均軸向和平均環(huán)向抗拉強(qiáng)度降低。雖然，較高的顆粒增強(qiáng)量增強(qiáng)了顆粒 FRP 復(fù)合管的剛度并降低了成本，但正如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證明的那樣，應(yīng)謹(jǐn)慎使用多少顆粒增強(qiáng)。

圖 13.對(duì)應(yīng)于顆粒增強(qiáng)的平均組成的平均軸向拉伸強(qiáng)度的變化

圖 14.對(duì)應(yīng)于顆粒增強(qiáng)的平均組成的平均環(huán)抗拉強(qiáng)度的變化

圖 15、圖 16 分別顯示了顆粒 FRP 復(fù)合管中平均軸向和平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度的變化與樹脂平均組成的變化。與顆粒增強(qiáng)相比，樹脂成分的平均變化要小得多，因?yàn)樗鼜?25% 到 32% 不等。從總體數(shù)據(jù)中可以證明，當(dāng)樹脂成分增強(qiáng)時(shí)，軸向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度會(huì)增加。除了提高整體強(qiáng)度外，樹脂還可以使纖維保持在適當(dāng)?shù)奈恢煤头较?，并保護(hù)復(fù)合結(jié)構(gòu)免受環(huán)境破壞。

圖 15.對(duì)應(yīng)于樹脂平均成分的平均軸向拉伸強(qiáng)度的變化

圖 16.對(duì)應(yīng)于樹脂平均成分的平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度的變化

圖17、圖 18分別顯示了微粒 FRP 復(fù)合管中平均軸向和平均環(huán)向抗拉強(qiáng)度的變化與切碎玻璃平均成分的變化。與對(duì)應(yīng)于顆粒增強(qiáng)和樹脂的分散數(shù)據(jù)集相比，平均短切玻璃成分和平均軸向拉伸強(qiáng)度之間的線性關(guān)系非常明顯。這基本上是合乎邏輯的，因?yàn)樵谒薪M成材料中，短切玻璃是對(duì)顆粒 FRP 復(fù)合管中環(huán)狀纏繞的軸向拉伸強(qiáng)度值（纏繞角度為 89° 度）有重大貢獻(xiàn)的材料。短切玻璃的平均成分變化帶與樹脂非常相似，因?yàn)樗鼜?8% 到 15% 不等。盡管與平均環(huán)狀抗拉強(qiáng)度相關(guān)的數(shù)據(jù)中存在一定量的散射，但當(dāng)根據(jù) 1 階多項(xiàng)式曲線擬合增強(qiáng)切碎玻璃成分時(shí)，它仍然會(huì)增加。斬玻璃通過加強(qiáng)復(fù)合材料的較弱面，有助于協(xié)調(diào)復(fù)合材料的整體強(qiáng)度。因此，較多的碎玻璃可能會(huì)導(dǎo)致顆粒 FRP 復(fù)合管中薄弱/弱化區(qū)域的強(qiáng)化。

圖17.對(duì)應(yīng)于短切玻璃的平均成分的平均軸向拉伸強(qiáng)度的變化

圖 18.對(duì)應(yīng)于切碎玻璃的平均成分的平均環(huán)抗拉強(qiáng)度的變化

圖 19、圖 20 分別顯示了顆粒 FRP 復(fù)合管中平均軸向和平均環(huán)狀拉伸強(qiáng)度的變化與玻璃纖維（環(huán)狀玻璃）平均組成的變化。玻璃纖維成分的變化比切碎玻璃略寬，因?yàn)樗鼜?9% 到 25% 不等。從總體數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)平均玻璃纖維成分增強(qiáng)時(shí)，平均軸向拉伸強(qiáng)度會(huì)增加。平均玻璃纖維組成與平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度之間的線性關(guān)系很尖銳。這又是合乎邏輯的，因?yàn)樵谒薪M成材料中，玻璃纖維是唯一直接影響顆粒 FRP 復(fù)合管中環(huán)狀纏繞的環(huán)向拉伸強(qiáng)度（纏繞角度為 89° 度）的材料。

圖 19.對(duì)應(yīng)于環(huán)狀玻璃平均成分的平均軸向拉伸強(qiáng)度的變化

圖 20.對(duì)應(yīng)于環(huán)狀玻璃的平均成分的平均環(huán)狀抗拉強(qiáng)度的變化

3 結(jié)語

本研究對(duì)顆粒增強(qiáng)纖維復(fù)合材料（FRP）管在軸向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度方面進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究，深入探討了組成材料對(duì)這些力學(xué)性能的影響。通過一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，我們分析了不同類型的纖維、顆粒以及它們的配比對(duì)復(fù)合管性能的具體作用。研究結(jié)果揭示了材料組成與復(fù)合管軸向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系，為工程師和制造業(yè)專業(yè)人士提供了重要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和參考依據(jù)。這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于優(yōu)化復(fù)合材料的性能，而且對(duì)于提高相關(guān)產(chǎn)品的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。

1) 基體裂紋和分層是顆粒FRP復(fù)合管在承受軸向拉伸破壞載荷時(shí)的主要失效模式。纖維斷裂則是管道在承受環(huán)向拉伸載荷時(shí)的典型失效模式。

2) 具有卓越軸向拉伸強(qiáng)度的管道設(shè)計(jì)應(yīng)包含更高比例的短切玻璃。而具有出色環(huán)向抗拉強(qiáng)度的管道設(shè)計(jì)則應(yīng)包含更高比例的環(huán)狀玻璃。

3) 增加顆粒增強(qiáng)的比例將提升管道剛度并降低成本。然而，觀察發(fā)現(xiàn)，較高比例的顆粒增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致軸向和環(huán)向強(qiáng)度的降低。

4) 考慮到圓周（環(huán)狀）纏繞配置，在軸向和環(huán)向拉伸載荷下觀察到的主要失效模式顯得合乎邏輯，因?yàn)檩S向載荷總是垂直于纏繞軸線作用，而環(huán)向載荷則沿圓周方向作用。

5) 組成材料的比例對(duì)管道性能具有顯著影響。因此，針對(duì)特定設(shè)計(jì)要求優(yōu)化性能是可行的，且僅受限于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的范圍。

參考文獻(xiàn)：

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.