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Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21101 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

In der vorliegenden Arbeit wird experimentell der Einfluss der Faserhybridisierung und der Schichtungssequenz auf das Crashverhalten und den Verformungsverlauf dünnwandiger Polymer-/Metallrohre untersucht. Mit Jute (J)/Glas (G) verstärktes Epoxidharz über umwickelten Aluminiumrohren (Al) wurden durch handfeuchtes Umwickeln hergestellt und dann axialen quasistatischen Druckbelastungen ausgesetzt. Die Last-Verschiebungs-Diagramme und Aufprallindikatoren, d. h. Spitzenquetschlast (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$), mittlere Bruchlast (${\mathrm{F}}_ \mathrm{m}}$), Gesamtenergieabsorption ($\mathrm{U})$, spezifische Energieabsorption $\left(\mathrm{SEA}\right)$ und Brechkrafteffizienz $ \left(\mathrm{CFE}\right)$ bestimmt. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass das Maximum $\left(\mathrm{SEA}\right)$ für Al/2J/4G/2J-Rohre mit einem Wert von etwa 42,92 kJ/g aufgezeichnet wurde, mit einer Steigerung von 20,56 % in \ (\left(\mathrm{SEA}\right)\) im Vergleich zu reinen Al-Rohren. Al/2J/4G/2J-Proben zeigen das Maximum ($\mathrm{U})$, $\left(\mathrm{SEA}\right)$ und $\left(\mathrm{CFE} \right)$ und könnten als energieabsorbierende Elemente in Automobilen eingesetzt werden.

In jüngster Zeit werden dünnwandige Abschnitte aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile, darunter hohe Energieabsorptionsfähigkeit, hohe Steifigkeit, hohe Festigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit, geringes Gewicht, niedrige Kosten und einfache Handhabung, häufig als unfallsichere Komponenten in der Fahrzeug- und Eisenbahnindustrie eingesetzt der Herstellung1,2. „Unfallsicherheit“ kann als die Fähigkeit eines Fahrzeugs definiert werden, Unfällen mit minimalen Verletzungen oder Schäden an Personen oder Gütern standzuhalten3,4. Der Materialtyp ist ein wichtiger Faktor, der die Leistung absturzsicherer Geräte beeinflusst5. Aufgrund der kontrollierbaren plastischen Verformung6 können konventionell metallische Werkstoffe verwendet werden. Im Gegenteil, Polymerverbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer respektablen spezifischen Steifigkeit und/oder Festigkeit sowie ihres hervorragenden Energieabsorptionsvermögens häufig verwendet. Aufgrund der Zerbrechlichkeit weisen Verbundwerkstoffe keine plastische Verformung auf. Verbundwerkstoffe absorbieren Energie durch Zerkleinerung und Delaminierung7,8.

Hybride wurden für Energieabsorber adaptiert, da sie die plastische Verformung metallischer Materialien mit einer höheren spezifischen Steifigkeit und/oder Festigkeit von Verbundwerkstoffen kombinieren9,10. Viele Wissenschaftler untersuchten die Kollapsleistung von Hybridrohren. Babbage und Mallick11 untersuchten experimentell die axiale Brechleistung von mit Glas-Epoxidharz umwickelten Aluminiumrohren ($\mathrm{Al}$). Der Ausrichtungswinkel von E-Glas betrug ± 45° bzw. ± 75° zur Rohrachse. Es wurden runde und quadratische ($\mathrm{Al}$) Rohre angepasst. Einige Rohre waren mit Epoxidschaum gefüllt. Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmender Anzahl der E-Glas-Lagen die Unfallsicherheitsparameter verbessert werden. Die Crashparameter von runden Hybridrohren sind besser als die von quadratischen. Ein Orientierungswinkel von ± 45° ergibt bessere Crash-Parameter als ein Orientierungswinkel von ± 75°. Kalhor und Case12 fanden heraus, dass das Überziehen von mit S2-Glas verstärkten Epoxidschichten auf quadratischen Zylindern aus rostfreiem Stahl (St) den Kollapsmodus von der Aufspaltung mit niedriger absorbierter Gesamtenergie ($\mathrm{U})$ in einen symmetrischen oder gemischten Modus mit hoher ändern kann ($\mathrm{U})$ und geringe Schwingung im Post-Crash-Stadium. Die Anzahl der Glas-/Epoxidschichten in Hybridzylindern hat einen großen Einfluss auf ($\mathrm{U})$. Es wurde ein neuer Auslösemechanismus angepasst, der die Ausfallreaktion in einen symmetrischen Kollapsmodus ändert und infolgedessen die Quetschkrafteffizienz $\left(\mathrm{CFE}\right)$ der vorgeschlagenen Hybride erhöht.

Liu et al.13,14 untersuchten das Crashverhalten von Wabenstrukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) unter axialer Belastung. Die Ergebnisse zeigten, dass die maximale Brechkraft (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$) und ($\mathrm{U}$) von ($\mathrm{CFRP}$ ) Gefüllte Strukturen werden im Vergleich zu ungefüllten um 10 % verbessert. Mit abnehmender $(\mathrm{Al})$ Wabenteilungslänge nimmt $(\mathrm{U})$ allmählich zu, während $\left(\mathrm{SEA}\right)$ abnimmt. Die Crashtauglichkeit von Hybridmaterialien wurde in der Literatur untersucht. Zhu et al.15 untersuchten die Absturzindikatoren einschließlich $(\mathrm{U})$ und die Ausfallreaktion von drei ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$ ) Konfigurationen, die quasistatischen Axiallasten ausgesetzt sind. Zum Vergleich wurden leere ($\mathrm{Al}$)- und ($\mathrm{CFK}$)-Zylinder getestet. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass Hi, also ein ($\mathrm{Al}$)-Zylinder mit einem inneren ($\mathrm{CFRP}$)-Zylinder, die besten Ergebnisse erzielt. Hi wurde analytisch unter den Gesichtspunkten Kosten und Gewicht untersucht. Es wurde berichtet, dass Hi bei demselben $(\mathrm{U})$ die Kosten um 32,1 % im Vergleich zu ($\mathrm{CFRP}$)-Zylinder und das Gewicht um 33,6 % im Vergleich zu (\) reduziert. (\mathrm{Al}\)) Zylinder. Hi könnte für die Energieabsorption angepasst werden. Sun et al.16 untersuchten die quasistatische Brechleistung von ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$)-Hybridrohren, die durch Filamentwickeln hergestellt wurden. Es wurde berichtet, dass der Wickelwinkel und die Wandstärke der Probe einen wichtigen Einfluss auf den Versagensmechanismus und die Brechparameter haben. Mit zunehmendem Windungswinkel verringern sich $\left(\mathrm{SEA}\right)$, $(\mathrm{U})$ und $({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip }})$ von ($\mathrm{CFRP}$) und ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) Hybridrohren. Eine Erhöhung der Rohrdicke ($\mathrm{CFRP}$) verbessert $\left(\mathrm{SEA}\right)$, $(\mathrm{U})$ und $({\mathrm {F}}_{\mathrm{ip}})$ von ($\mathrm{CFRP}$) und ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$ ) Hybriden. Bei 25° Wickelwinkel und 9 Lagen aus ($\mathrm{CFRP}$), $\left(\mathrm{SEA}\right)$ aus ($\mathrm{CFRP}$) und ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$)-Rohre waren die besten (48,74 und 79,05 J/g). Darüber hinaus übersteigt $(\mathrm{U})$ des ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$)-Hybridrohrs die Summe seiner Komponenten.

Laut Wang et al.17 verbessert die Änderung des Verformungsmodus von ($\mathrm{Al}$)/($\mathrm{CFRP}$)-Hybridrohren die inneren Energien $({\mathrm {U}}_{\mathrm{i}})$ von ($\mathrm{Al}$)- und ($\mathrm{CFRP}$)-Rohren um 43,6 bzw. 17,8 % im Vergleich zu makellosem (\ (\mathrm{Al}\)) bzw. ($\mathrm{CFRP}$) Rohre; und erhöht die Reibungsdissipationsenergie $({\mathrm{U}}_{\mathrm{d}})$ um 45,6 % im Vergleich zur Summe von unberührtem ($\mathrm{Al}$) und ($\mathrm{CFRP}$)-Rohre, wodurch $(\mathrm{U})$ von ($\mathrm{Al}$)/($\mathrm{CFRP}$) erheblich verbessert wird Hybridrohre. Für ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) steigt $({\mathrm{U}}_{\mathrm{i}})$ um 27,6 % für ($\mathrm{Al}$)-Rohre, sinkt jedoch um 31,9 % für ($\mathrm{CFRP}$)-Rohre im Vergleich zu reinem ($\mathrm{Al}$) und reinem ($ \mathrm{CFK}$) Rohre; wohingegen $({\mathrm{U}}_{\mathrm{d}})$ im Vergleich zur Summe von makellosem ($\mathrm{Al}$) und ( um 47,6 % abnimmt. mathrm{CFRP}\))-Rohren, was die Bedeutung der Hybridisierung auf $(\mathrm{U})$ anzeigt. Der Einfluss von Wandstärke, Abmessungen und Querschnittsform auf $(\mathrm{U})$ sowie das Kostenverhältnis der Hybride wurden ebenfalls berücksichtigt. Es wurde festgestellt, dass Hybridrohre mit dickerem ($\mathrm{CFRP}$)-Rohr größere $(\mathrm{U})$; wohingegen Hybrid mit dünnerem ($\mathrm{Al}$)-Rohr bessere kostengünstige Energieabsorptionseigenschaften aufweist. Darüber hinaus weisen kreisförmige Hybridrohre mit kleinerem Querschnitt bei konstantem Gewicht die beste Leistung auf. Zang et al.18 untersuchten den Einfluss der Querschnittsform auf das quasistatische axiale Zusammenbrechen von ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$)-Hybridrohren. $\left(\mathrm{SEA}\right)$ und Crashkrafteffizienz $\left(\mathrm{CFE}\right)$ des ($\mathrm{CFRP}$)/(\ (\mathrm{Al}\)) Rohre mit kreisförmigem Querschnitt erwiesen sich als die größten. Es wurde herausgefunden, dass die Länge von Hybridrohren mit kreisförmigem Querschnitt keinen wesentlichen Einfluss auf $(\mathrm{U})$ hat, aber das Dickenverhältnis von ($\mathrm{Al}$) zu ( $\mathrm{CFRP}$), also (tm/tc), die Anzahl der Schichten, die Faserrichtung und das Faserverhältnis in Axial-/Umfangsrichtung haben einen bemerkenswerten Einfluss auf das Crashverhalten.

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe weisen eine gute spezifische Crashsicherheitsleistung auf, die stark von den Werkstoffen und der Faseranordnung abhängt und in der Regel die von Metallen übertrifft19. Andererseits bieten Metalle relativ kosteneffiziente Lösungen mit gut verstandenen und stabilen Energieabsorptionsmechanismen20. Die Kombination von faserverstärkten Verbundwerkstoffen und Metallen zu Hybridsystemen könnte neue Möglichkeiten hinsichtlich der kosteneffizienten spezifischen Funktionsleistung unter Crashlasten eröffnen20. Eine ordnungsgemäß konzipierte Hybridstruktur aus Metall und Verbundwerkstoff hat sich bei angemessenen Kosten als leichter und sicherer als herkömmliche Metalle und Verbundwerkstoffe erwiesen. Dies unterstützt die Anpassung von Metall-/Verbund-Hybridstrukturen als hervorragenden Ersatz für die Crash-Anwendungen Mahdi und El Kadi21. In diesem Zusammenhang wurden Anstrengungen unternommen, um die geeigneten Verstärkungen in Verbundwerkstoffen auszuwählen, um zusätzliche Energie im progressiven Zerkleinerungsmodus zu absorbieren. Jüngste Forscher haben versucht, die Verwendung teurer synthetischer Fasern durch die Verwendung billiger, biologisch abbaubarer und leichter Naturfasern zu verringern. Supian et al.22. Es wurden mehrere Studien durchgeführt, um die Unfallsicherheit von mit Naturfasern verstärkten Verbundwerkstoffen zu untersuchen23,24,25,26.

Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Vielseitigkeit und Crashsicherheit erfreuen sich Metall-Verbund-Hybridkonstruktionen in der Automobilindustrie immer größerer Beliebtheit. In der Literatur wurden zahlreiche Studien zur Crashsicherheit von Metall-Kunststofffaser-Verbundhybriden gefunden. Allerdings haben sich nur sehr wenige Arbeiten auf die Aufdeckung der Energieabsorptionsmechanismen von Hybridstrukturen aus Metall-Kunstfaser-Verbundwerkstoffen und Naturfaser-Verbundwerkstoffen konzentriert; und wie man das Leistungs- und Kostenverhältnis dieser Strukturen kontrollieren kann, ist immer noch ein ungelöstes Problem. Diese Studie zielt darauf ab, die Kosten zu senken und die Energieabsorption verschiedener Konfigurationen zu erhöhen, z. B. Aluminium ($\mathrm{Al}$)/Jute ($\mathrm{J}$)/E-Glas ($\ mathrm{G}$) verstärkte Epoxid-Hybridrohre. Die Auswirkungen des Verstärkungshybridisierungsprozesses und der Schichtungsstapelsequenzen wurden untersucht. Die Proben wurden durch Nassverziehen im Handauflegeverfahren konfektioniert und unter quasistatischen Axiallasten getestet. Es wurden die Crashtauglichkeitsindikatoren ermittelt und der Verformungsverlauf untersucht. Das Kostenverhältnis für die vorgeschlagenen energieverzehrenden Elemente wurde berechnet und verglichen. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder wurden hinzugefügt, um die Fehlerzeichen in den fehlerhaften Proben zu zeigen.

($\mathrm{Al}6063$) Aluminiumlegierung, geliefert von Military Production Co. Ltd. (Ägypten), in Form von Rohren mit 50 mm Außendurchmesser und 2 mm Dicke wurde in dieser Arbeit angepasst. Gewebte E-Glas- und Jutestoffe mit einer Flächendichte von 200 g/m2 wurden von Hebei Yuniu Fiber Glass Manufacturing Co. Ltd., China, bzw. Zhong Xing Cotton and Jute Co. Ltd. (China) geliefert. Oberflächenbilder von ($\mathrm{Al}6063$)-Rohren, Jutegewebe und E-Glasgewebe sind in Abb. 1 dargestellt. Nominiert wurde Kemapoxy 150RGL von Chemicals for Modern Buildings Co. Ltd. (Ägypten). als Matrix. Tabelle 1 zeigt die mechanischen Eigenschaften von E-Glas, Jute, $\mathrm{Al}6063$ und Kemapoxy 150 RGL. Die chemische Zusammensetzung von $\mathrm{Al}6063$ (Gewichtsprozentsatz, Gew.-%) ist in Tabelle 2 angegeben.

Oberflächenbilder von (a) Al 6063-Rohren, (b) gewebtem E-Glas-Gewebe und (b) gewebtem Jute-Gewebe.

Für die Herstellung der Testproben wurde das Nassverziehen per Handauflegemethode vorgeschlagen, Abb. 2. Aufgrund seiner Einfachheit und geringen Anforderungen wurde diese Herstellungsmethode von verschiedenen Forschern in vielen Stipendien eingesetzt4,5,27,28,29,30. Die Herstellungsprozessschritte lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Das Mischen und Verwirbeln des Epoxidharzes und seines Härters von Hand dauerte etwa 5 Minuten. Die Mischung wurde gleichmäßig auf die Stoffe aufgetragen (Abb. 2a). Die gesättigten Stoffe wurden mit 50 mm über ein behandeltes Aluminiumrohr gewickelt (Abb. 2b).

Gemäß den Empfehlungen des Matrizenherstellers31 benötigen die konstruierten Rohre „7“ Tage bei 25 °C für die vollständige Aushärtung. Die gefertigten Rohre wurden nach dem Aushärten visuell auf Unvollkommenheiten überprüft (Abb. 2c). Die konsolidierten Rohre wurden auf 100 mm Länge geschnitten (Abb. 2d).

Acht Gewebelagen mit unterschiedlicher Reihenfolge wurden über die Al-Rohre gewickelt, wie in Abb. 3 dargestellt. Die geometrischen Abmessungen der Prüfkörper sind in Tabelle 3 angegeben.

Ablauf des Herstellungsprozesses.

Stapelsequenzen der gefertigten Hybridrohre.

Um eine starke Verbindung zwischen Al-Rohren, Jute und E-Glasgewebe zu gewährleisten, wurden Al-Rohre mechanischen und chemischen Behandlungen unterzogen. Zunächst wurden Al-Rohre einer mechanischen Behandlung unterzogen, indem sie mit Aceton gespült, dann mit Schleifpapier der Körnung Nr. 400 geglättet, dann mit destilliertem Wasser gewaschen und schließlich in einem Ofen getrocknet wurden. Zweitens wurden mechanisch behandelte Al-Rohre 30 Minuten lang bei Raumtemperatur mit HCl mit einer Volumenkonzentration von 11 % mit Säure gewaschen. Dann wurden Al-Rohre 5 Minuten lang bei 70 °C in ein 5 Gew.-%iges NaOH-Lösungsmittel getaucht. Abschließend wurden behandelte Al-Rohre gewaschen und getrocknet, um zur Herstellung von Hybridverbundwerkstoffen32 verwendet zu werden. Diese Technik wurde von vielen Forschern übernommen33,34,35,36,37, die den Erfolg dieser Technik bei der Verbesserung der Bindung zwischen Metall und Polymerschnittstelle bestätigten.

Für die Durchführung der quasistatischen Tests mit einer Traversengeschwindigkeit von 10 mm/min wurde eine 100-kN-Universalprüfmaschine (Typ: Jinan WDW, China) ausgewählt. Abbildung 4 zeigt den in dieser Arbeit verwendeten Versuchsaufbau. Prüflinge wurden vor Versuchsbeginn zwischen zwei zueinander parallelen flachen Stahlplatten positioniert. Zur Aufzeichnung der Last-Verschiebungs-Daten wurde direkt ein automatisches Datenerfassungssystem implementiert. Viele Autoren haben diese Methode in ihren Studien zur Unfallsicherheit bestätigt38,39,40. Die Verformungsverläufe der Probekörper wurden verfolgt und dokumentiert. Für jeweils drei Proben wurden Last-Verschiebungs-Kurven aufgezeichnet und der Mittelwert der drei Kurven ermittelt und gebildet. Die Probe, deren Kurve näher an der Durchschnittskurve liegt, wurde als die repräsentativste angesehen und wurde in den Abbildungen dargestellt. 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11, wie in der überarbeiteten Kopie gezeigt. Während die in den Abb. 12, 13, 14 und 15 stellen die Durchschnittswerte dar. Die erstellten Last-Verschiebungs-Kurven können zur Quantifizierung der Leistung crashsicherer Metall-Verbundproben verwendet werden. Im Folgenden sind die kritischen Brechungsparameter aufgeführt: Spitzenbruchlast (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$), mittlere Bruchlast (${\mathrm{F}}_{\mathrm {m}}$), Gesamtenergieabsorption ($\mathrm{U})$, spezifische Energieabsorption $\left(\mathrm{SEA}\right),$ und Brechkrafteffizienz $\left (\mathrm{CFE}\right)$

Die Spitzendrucklast (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})$ wird direkt aus dem erhaltenen Last-Verschiebungs-Diagramm aufgezeichnet. Es wird empfohlen, dass es kompakt genug ist, um zu verhindern, dass der Energieabsorber die Kraft des Aufpralls auf das Auto überträgt29.

Die Gesamtenergieabsorption ($\mathrm{U})$ zeigt, wie viel Energie während des Kollisionsprozesses verschwendet wurde, Gl. (1).

wobei $\mathrm{F}\left(\updelta \right)\mathrm{ und }{\delta }_{\mathrm{max}}$ die unmittelbare Brechkraft bzw. die gesamte Brechverschiebung sind.

Die mittlere Quetschlast (${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}$) kann durch die gesamte Quetschverschiebung und die absorbierte Energie bestimmt werden.

Der Brechkraftwirkungsgrad $\left(\mathrm{CFE}\right)$ ist das Verhältnis zwischen der mittleren Bruchlast und der Spitzenbruchlast. Wenn der Prozentsatz der Brechkrafteffizienz hoch ist, ist auch die effektive EAC der Struktur hoch.

Die spezifische Energieabsorption $\left(\mathrm{SEA}\right)$ wird berechnet, indem die absorbierte Energie (U) durch die Masse des Energieabsorbers (${\mathrm{m}}_{\mathrm{c}) dividiert wird. }$):

Dabei ist $\mathrm{M}/\mathrm{L}$ die Masse des Energieabsorbers pro Längeneinheit.

In dieser Arbeit verwendeter Versuchsaufbau.

Last-Verschiebungs- und Quetschverlauf für Al-Testproben.

Last-Verschiebungs- und Quetschverlauf für Al-8J-Testproben.

Last-Verschiebungs- und Quetschverlauf für Al/4J/4G-Testproben.

Last-Verschiebungs- und Quetschverlauf für Al/4G/4J-Testproben.

Last-Verschiebungs- und Quetschverlauf für Al/2G/4J/2G-Testproben.

Last-Verschiebungs- und Quetschverlauf für Al/2J/4G/2J-Testproben.

Last-Verschiebungs- und Quetschverlauf des Al/8G-Testkörpers.

Anfängliche und mittlere Druckbelastungen für geprüfte Proben.

Gesamtenergieabsorption für geprüfte Proben.

Spezifische Energieaufnahme für geprüfte Proben.

Brechkrafteffizienz für getestete Proben.

Last-Verschiebungs-Diagramme und die Verformungsverläufe für J/G-verstärktes Epoxidharz über umwickelten $(\mathrm{Al})$-Rohren sind in den Abbildungen dargestellt. 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11. Ergebnisse, angegeben in Abb. 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11 gelten für das repräsentativste Exemplar jeder Konfiguration.

Aus Abb. 5 geht klar hervor, dass sich die $(\mathrm{Al})$-Probe linear verhält, bis sie sich der Spitzenlast von 61,87 kN bei 3,97 mm nähert, dann kommt es zu einem plötzlichen Abfall auf 25,23 kN bei 10,32 mm. Mit zunehmender Verschiebung verformt sich die reine $(\mathrm{Al})$-Probe regelmäßig plastisch und erzeugt im Post-Crash-Bereich ein Last-Verschiebungsprofil mit hoher Schwingungsamplitude, bis sie den Beginn der Verdichtung bei etwa 79,41 mm erreicht. Der Bruchverlauf für $(\mathrm{Al})$-Rohre zeigt die Faltung und allgemeine Knickung des Rohrs.

Aus Abb. 6 geht klar hervor, dass sich die Al/8J-Probe linear verhält, bis sie sich 80,88 kN bei 8,06 mm nähert. Anschließend sinkt die Belastung abrupt auf 49,65 kN bei 18,56 mm. Der Lastabfall geht mit einer Matrixrissbildung einher, die aufgrund der Spannungskonzentration an der höheren Seite des Rohrs beginnt. Die Last-Weg-Kurve begann dann in der Nachzerkleinerungsphase leicht zu oszillieren, bis sie bei 64,65 mm den Beginn des Verdichtungsbereichs erreichte. Zu Beginn des Verdichtungsbereichs steigt die Belastung schnell an. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit den Feststellungen von Abdewi et al.41. Es sind Verdrehungen und Faltungen zu erkennen. Als Folge der Faserknickung wurde eine Gesamtknickung des Rohres aufgezeichnet.

Das Last-Verschiebungs-Diagramm und der Verformungsverlauf für Al/4J/4G-Proben unter quasistatischer Belastung sind in Abb. 7 dargestellt. Das Rohr verhält sich linear, bis es sich ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip }}$ von 86,55 kN bei 5,74 mm, dann ein starker Lastabfall auf etwa 46,59 kN bei 18,41 mm. Danach wurden geringe Schwankungen in der Nachzerkleinerungszone bis zum Beginn der Verdichtungszone bei 65,01 mm beobachtet. Es sind Falten, Wandverbiegungen und allgemeine Knickungen, begleitet von Rissen, zu erkennen.

Abbildung 8 zeigt die Kraft-gegen-Bewegungs-Reaktion und den Quetschverlauf für Al/4G/4J-Proben, die aus dem quasistatischen Kompressionstest ermittelt wurden. Das Rohr weist einen linearen Trend auf, bis es sich ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ von 87,57 kN bei 3,76 mm nähert, gefolgt von einem starken Lastabfall bei etwa 46,19 kN. Nach dem Lastabfall schwankte die Last-Verschiebung-Kurve in der Nachzerkleinerungszone, bis sie bei 63,01 mm in die Verdichtungszone eintrat. Es sind Matrixrisse am Rohrboden zu erkennen.

Abbildung 9 zeigt das Last-Verschiebungs-Diagramm und den Verformungsverlauf für Al/2J/4G/2J-Proben, die im quasistatischen Test ermittelt wurden. Das Rohr hat bis zur Annäherung an ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ eine Linienrichtung von 79,33 kN bei 4,59 mm, die Last-Verschiebungs-Kurve schwankte in der Nachknautschzone um die mittlere Last bis es bei 65,01 mm in die Verdichtungszone eintritt. Es sind Matrixrisse am Rohrboden zu erkennen.

Abbildung 10 zeigt das Last-Verschiebungs-Diagramm und den Verformungsverlauf für Al/2G/4J/2G-Proben. Das Rohr verhält sich linear, bis es sich ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ von 81,29 kN bei 8,59 mm nähert, gefolgt von einem starken Lastabfall bei etwa 20,89 kN. Nach dem Lastabfall schwankte die Last-Verschiebungs-Kurve in der Nachzerkleinerungsphase, bis sie den Beginn der Verdichtungszone bei 70,29 mm erreichte. Es sind Matrixrisse am Rohrboden zu erkennen.

Die Last-Verschiebungs-Kurve und der Verformungsverlauf für Al/8G-Proben sind in Abb. 11 dargestellt. Es wurde beobachtet, dass sich das Rohr linear verhält, bis es sich einer Last von 77,54 kN bei 4,95 mm nähert, gefolgt von einem starken Lastabfall auf fast 32,31 kN bei 18,37 mm. Nach dem Lastabfall schwankte die Last-Verschiebung-Kurve in der Post-Crush-Zone bis zum Beginn der Verdichtungszone bei 72,00 mm. Bei Al/8G-Proben ist eine globale Knickung mit Faserbruch zu beobachten.

Tabelle 4 zeigt die Unfallsicherheitsparameter für alle getesteten Metall-/Polymerrohre. Es zeigt auch die Wiederholbarkeit aller Daten. Es ist klar, dass der Variationskoeffizient (CV) aller Ergebnisse weniger als 10 % beträgt, was die Wiederholbarkeit der Ergebnisse bestätigt und ihre sichtbare Genauigkeit widerspiegelt.

Wie aus Abb. 12 hervorgeht, wurde der niedrigste ${(\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})$ für $(\mathrm{Al})$-Rohr mit einem Wert von 61,87 aufgezeichnet kN. Die Hybridisierung von $(\mathrm{Al})$ Rohren mit acht Lagen Jute/Epoxidharz und Glas/Epoxidharz ergibt eine Verbesserung von 30,73 bzw. 28,56 % in ${\mathrm{F}}_{\mathrm {ip}}$ des $(\mathrm{Al})$-Rohrs. ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ von Al/4J/4G-, Al/4G/4J-, Al/2J/4G/2J- und Al/2G/4J/2G-Rohren sind: jeweils etwa das 1,40-, 1,42-, 1,28- und 1,31-fache des Al-Rohrs. Dies bedeutet, dass die Hybridisierung von $(\mathrm{Al})$ mit Jute und Glas einen sichtbaren positiven Effekt auf den Wert von ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ hat.

Die Hybridisierung von $(\mathrm{Al})$-Rohren mit acht Schichten Jute/Epoxidharz und Glas/Epoxidharz ergibt eine Verbesserung von 38,91 bzw. 39,68 % in $({\mathrm{F}}_{\ mathrm{m }})$ von $\left(\mathrm{Al}\right)$ Rohr. ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ von Al/4J/4G-, Al/4G/4J-, Al/2J/4G/2J- und Al/2G/4J/2G-Rohren sind: jeweils etwa das 1,60-, 1,61-, 1,70- und 1,42-fache des $(\mathrm{Al})$-Rohrs. Dies bedeutet, dass die Hybridisierung von $(\mathrm{Al})$ mit J- und G-Fasern einen sichtbaren positiven Effekt auf den Wert von ${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}$ hat.

Wie in Abb. 13 dargestellt, wurde die höchste Energieabsorption $\left(\mathrm{U}\right)$ für Al/2J/4G/2J-Rohre mit einem Wert von etwa 3885,55 kJ festgestellt, während die niedrigste $ \left(\mathrm{U}\right) \mathrm{was}$ beobachtet für $(\mathrm{Al})$ Rohr mit einem Wert von etwa 2791,84 kJ, mit einer Verstärkung von 39,18 % in $\left (\mathrm{U}\right)$ im Vergleich zu reinem $(\mathrm{Al})$-Rohr. Außerdem beträgt der $\left(\mathrm{U}\right)$-Wert von Al/8J-, Al/4J/4G-, Al/4G/4J-, Al/2G/4J/2G- und Al/8G-Rohren , etwa das 1,13-, 1,27-, 1,28-, 1,21- und 1,11-fache des $\left(\mathrm{Al}\right)$-Rohrs. Dies bedeutet, dass die Hybridisierung von $(\mathrm{Al})$ mit Jute und Glas einen sichtbaren positiven Effekt auf den Wert von $\left(\mathrm{U}\right)$ hat.

Wie in Abb. 14 gezeigt, wurde der höchste Wert der spezifischen Energieabsorption $\left(\mathrm{SEA}\right)$ für Al/2J/4G/2J-Rohre mit einem Wert von etwa 42,92 kJ/g aufgezeichnet Verbesserung von 20,56 % in $\left(\mathrm{SEA}\right)$ im Vergleich zu reinem Al-Rohr. Der niedrigste $\left(\mathrm{SEA}\right)$ wurde für Al-8J-Rohre mit einem Wert von etwa 30,08 kJ/g ermittelt. $\left(\mathrm{SEA}\right)$ von Al/4J/4G-, Al/4G/4J-, Al/2G/4J/2G- und Al/8G-Rohren betragen etwa 1,10, 1,15 bzw. 0,99 und das 0,98-fache des $\left(\mathrm{Al}\right)$-Rohrs. Es ist klar, dass das Aufwickeln von hybriden Jute/glasverstärkten Epoxidschichten über $\left(\mathrm{Al}\right)$-Rohre $\left(\mathrm{SEA}\right)$ von $(\ mathrm{Al})$ Rohre.

Wie in Abb. 15 dargestellt. Der höchste $\mathrm{CFE}$-Wert wurde für Al/2J/4G/2J-Rohre mit einem Wert von etwa 0,75 aufgezeichnet, während der niedrigste $\mathrm{CFE}$ lag für $(\mathrm{Al})$ und Al/8G-Rohre mit einem Wert von etwa 0,57 ermittelt. Hybridisierendes $(\mathrm{Al})$-Rohr mit acht Lagen Jute/Epoxid 7,01 und % in $\mathrm{CFE}$ von $\left(\mathrm{Al}\right)$-Rohr . $\mathrm{CFE}$ von Al/4J/4G-, Al/4G/4J- und Al/2G/4J/2G-Rohren beträgt etwa das 1,14-, 1,14- bzw. 1,07-fache von $(\mathrm{ Al})$ Rohr. Dies bedeutet, dass die Hybridisierung von $(\mathrm{Al})$ mit Jute und Glas einen sichtbaren positiven Effekt auf den Wert von $\mathrm{CFE}$ hat.

Typischerweise sind Energieabsorber so konstruiert, dass sie die Quetschenergie aufnehmen. Ein entscheidender Faktor, der bei der Untersuchung der EAC von Metall-Verbund-Hybridrohren berücksichtigt werden muss, ist der Versagensmechanismus42. Fotos typischer Proben aus der Draufsicht der zerkleinerten Probe sind in Abb. 16 enthalten. Es sind zwei Schadensarten zu erkennen. Sie fallen in die folgenden Kategorien:

Draufsichten für ausgefallene Exemplare.

Ansatz I: Unberührte $(\mathrm{Al})$-Probe zeichnete einen achsensymmetrischen oder ringförmigen Modus auf.

Ansatz II: Zunächst bildeten sich Makrorisse in der Matrix und Hybridrohre begannen sich zu verbiegen. Die Risse breiten sich dann vom Rohr weg aus. Die zusätzliche Ausbreitung von Matrixrissen führt zu einer Biegung der Lamellen, zur Bildung innerer und äußerer Falten, zur interlaminaren Delaminierung, zum Brechen der Fasern und zu Mikrorissen im Epoxidharz, wie in den REM-Bildern für ausgefallene Proben in Abb. 17 dargestellt.

REM für fehlerhafte Proben.

Bei der Entwicklung hybrider Metall-Verbundrohre sind die Kosten ein entscheidender Faktor, der sowohl von Design- als auch von Produktionsfaktoren beeinflusst wird. In dieser Studie betragen die Preise der verwendeten Materialien 5,0 $/kg für Al 6063, 2,0 $/kg für E-Glas-Gewebe, 1,0 $/kg für Jute-Gewebe und 2,0 $/kg für das verwendete Epoxidharz. In dieser Studie wurde das Kostenverhältnis als $\left(\mathrm{SEA}\right)$ dividiert durch die Kosten des Rohrs (Al, Faser und Matrix) bewertet. Aus Abb. 18 ist ersichtlich, dass Al/2J/4G/2J-, Al- und Al/4G/4J-Rohre mit Werten von 77,33, 74,01 bzw. 73,42 J.$/g das höchste Kostenverhältnis erzielten. Al/2J/4G/2J-, Al- und Al/4G/4J-Rohre sind die effektivsten und könnten in Automobilanwendungen als energieabsorbierende Komponenten verwendet werden. Tabelle 3 enthält die Kosten für jedes gefertigte Rohr und die normalisierten Werte der Probenkosten.

Kostenverhältnis der untersuchten Hybridexemplare.

Tabelle 5 listet einige früher veröffentlichte Daten für $\left(\mathrm{SEA}\right)$ von Energieabsorbern aus natürlichen/synthetisch verstärkten Verbundwerkstoffen und metallischen Materialien auf, um die Crashtauglichkeit des vorgeschlagenen Materials zu bewerten. Aus Tabelle 4 geht klar hervor, dass die Kombination von Hybrid-Natur-/Synthetikfasern über $(\mathrm{Al})$-Rohren die Unfallsicherheitsleistung von $(\mathrm{Al})$-Energieabsorbern verbessern kann. Darüber hinaus zeigten die vorgeschlagenen Rohre im Vergleich zu herkömmlichen Metallen, faserverstärkten Verbundwerkstoffen und Hybridrohren eine verbesserte Unfallsicherheitsleistung, und als Ergebnis kann der innovative Energieabsorber als energieabsorbierende Komponenten in nach vorne gerichteten Fahrzeugstrukturen eingesetzt werden, z , schlagfesten Stangen oder einer Crashbox und kann auch im Flugzeugrumpf adaptiert werden. Crashboxen aus den vorgeschlagenen Metall/Polymer-Hybridverbundwerkstoffen können für eine bestimmte Art von Belastung für Hochleistungsanwendungen und Sicherheitsausrüstung in der Transportindustrie wie der Schifffahrt, der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Automobilindustrie ausgelegt werden, wie in Abb. 19 dargestellt.

Empfohlene Anwendung für die vorgeschlagene Metall-/Polymerkomponente und Art der Einbindung.

In diesem Artikel wird die Auswirkung der Schichtabfolge auf die Unfallsicherheit und den Schadensmechanismus von Hybridrohren aus Metall/Polymer-Verbundwerkstoff untersucht. Rundrohre wurden per Hand-Nasswickelverfahren vorbereitet und axialen Belastungen ausgesetzt. Folgende Beobachtungen wurden dokumentiert:

Hybridisierungs- und Schichtungssequenzprozesse haben einen erheblichen Einfluss auf die Crashsicherheit und die Schadensmechanismen von Metall-Polymer-Verbundstrukturen. Die Hybridisierung von $(\mathrm{Al})$-Rohren mit Jute- und glasfaserverstärkten Epoxidschichten führt zu einer Erhöhung von (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$), ( ${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}})$,$(\mathrm{U})$ und $(\mathrm{CFE})$. Der höchste Wert (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$) wurde für Al/4G/4J mit einem Wert von 87,56 verzeichnet. Das höchste (${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}})$, $(\mathrm{U})$, \(\left(\mathrm{SEA}\right)\ ), CFE und Kostenverhältnis wurden für Al/2J/4G/2J mit Werten von 59,76 kN, 3885,55 J und 42,92 J/g, 0,75 und 77,33 J.$/g aufgezeichnet. Die außergewöhnliche Fähigkeit zur Energieabsorption, das geringe Gewicht und das hohe Kostenverhältnis machen Al/2J/4G/2J für den Einsatz als Energieableitungskomponenten in Automobilen geeignet.

Die Hybridisierung von $(\mathrm{Al})$-Rohren mit glasjuteverstärktem Epoxidharz verändert den Versagensmechanismus vom achsensymmetrischen oder ringförmigen Modus zu Knickung, Bildung von Matrix-Makrorissen und Rissausbreitung in Umfangsrichtung des Rohrs. Eine zusätzliche Rissausbreitung führt zur Biegung der Lamellen und zur Bildung von inneren und äußeren Falten, zur Delaminierung, zum Brechen der Fasern und zum Herausziehen der Fasern.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Madeha Camel

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MAAE: Idee, schriftliche Konzeptualisierung und Methodik, Vorbereitung des ursprünglichen Entwurfs, Untersuchung, schriftliche Überprüfung und Bearbeitung, Aufsicht. MMAA: Experimentelle Arbeit, schriftliche Konzeptualisierung und Methodik, Vorbereitung des Originalentwurfs, Untersuchung, schriftliche Überprüfung und Bearbeitung. MK: Schriftlich-originale Entwurfserstellung, Erstellung von Zahlen. WA: Schriftlich-originale Entwurfserstellung, Erstellung von Abbildungen. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Marwa A. Abd El-baky.

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Nachdrucke und Genehmigungen

El-baky, MAA, Allah, MMA, Kamel, M. et al. Leichte, kostengünstige Hybridmaterialien für Energieabsorptionsanwendungen. Sci Rep 12, 21101 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25533-3

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Eingegangen: 28. September 2022

Angenommen: 30. November 2022

Veröffentlicht: 06. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25533-3

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