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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21101 (2022) Citar este artigo

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O presente artigo explora experimentalmente a influência da hibridação da fibra e da sequência de camadas no comportamento de resistência ao choque e na história da deformação de tubos de paredes finas de polímero/metal. Tubos de alumínio (Al) reforçados com epóxi reforçado com juta (J)/vidro (G) foram preparados por meio de embalagem úmida à mão e, em seguida, submetidos a cargas compressivas quase estáticas axiais. Os gráficos de carga versus deslocamento e indicadores de colisão, ou seja, pico de carga de esmagamento (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\)), carga média de esmagamento (\({\mathrm{F}}_{ \mathrm{m}}\)), absorção total de energia (\(\mathrm{U})\), absorção específica de energia \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) e eficiência da força de esmagamento \( \left(\mathrm{CFE}\right)\) foram determinados. Os resultados experimentais revelaram que o máximo \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) foi registrado para tubo Al/2J/4G/2J com um valor de cerca de 42,92 kJ/g, com um aumento de 20,56% em \ (\left(\mathrm{SEA}\right)\) em comparação com Al-pipes puros. Espécimes Al/2J/4G/2J exibem o máximo (\(\mathrm{U})\), \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) e \(\left(\mathrm{CFE} \à direita)\) e poderiam ser empregados como membros absorvedores de energia em automóveis.

Recentemente, as seções de paredes finas têm sido amplamente utilizadas como componentes resistentes a colisões nas indústrias de veículos e ferrovias por causa de seus inúmeros lucros, incluindo alta capacidade de absorção de energia, alta rigidez, alta resistência, alta resistência à corrosão, baixo peso, baixo custo e facilidade de fabricação1,2. "Crashworthiness" pode ser definido como a capacidade de um veículo resistir a colisões com ferimentos mínimos ou danos a corpos humanos ou mercadorias3,4. O tipo de material é um fator importante que afeta o desempenho dos dispositivos resistentes ao choque5. Materiais metálicos convencionais podem ser usados ​​devido à deformação plástica controlável6. Pelo contrário, os compósitos poliméricos são amplamente utilizados devido à respeitável rigidez e/ou resistência específica e excelente capacidade de absorção de energia. Os compósitos não apresentam deformação plástica devido à fragilidade. Os materiais compósitos absorvem energia por esmagamento e delaminação7,8.

Os híbridos têm sido adaptados em absorvedores de energia por combinarem a deformação plástica dos materiais metálicos e maior rigidez específica e/ou resistência dos compósitos9,10. Muitos estudiosos examinaram o desempenho de colapso de tubos híbridos. Babbage e Mallick11 estudaram experimentalmente o desempenho de esmagamento axial de tubos de alumínio revestidos com vidro-epóxi (\(\mathrm{Al}\)). O ângulo de orientação do E-glass era de ± 45° ou ± 75° em relação ao eixo do tubo. Foram adaptados tubos circulares e quadrados (\(\mathrm{Al}\)). Alguns canos foram preenchidos com espuma epóxi. Os resultados indicaram que, à medida que o número de camadas de E-glass aumenta, os parâmetros de resistência ao choque serão aprimorados. Os parâmetros de colisão dos tubos híbridos redondos são melhores do que os dos quadrados. O ângulo de orientação de ± 45° fornece melhores parâmetros de colisão do que os de ± 75°. Kalhor e Case12 descobriram que envolver camadas de epóxi reforçadas com vidro S2 em cilindros quadrados de aço inoxidável (St) poderia alterar o modo de colapso de divisão com baixa energia total absorvida (\(\mathrm{U})\) para modo simétrico ou misto com alta (\(\mathrm{U})\) e baixa oscilação na fase pós-colisão. O número de camadas de vidro/epóxi em cilindros híbridos tem um grande efeito em (\(\mathrm{U})\). Foi adaptado um novo mecanismo de gatilho que altera a resposta de falha para um modo de colapso simétrico e como consequência aumenta a eficiência da força de esmagamento \(\left(\mathrm{CFE}\right)\) dos híbridos propostos.

Liu et al.13,14 investigaram o comportamento de colisão de estruturas de favo de mel de plástico reforçado com fibra de carbono (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) sob carga axial. Os resultados indicaram que a força de esmagamento de pico (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\)) e (\(\mathrm{U}\)) de (\(\mathrm{CFRP}\) ) as estruturas preenchidas são melhoradas em 10% em comparação com as não preenchidas. Com a redução do comprimento da divisão \((\mathrm{Al})\) do favo de mel, \((\mathrm{U})\) aumenta gradualmente enquanto \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) diminui. A resistência ao choque de materiais híbridos tem sido estudada na literatura. Zhu et al.15 estudaram os indicadores de falha incluindo \((\mathrm{U})\), e a resposta de falha de três (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\) ) configurações sujeitas a cargas axiais quase estáticas. Para comparação, foram testados cilindros vazios (\(\mathrm{Al}\)) e (\(\mathrm{CFRP}\)). Os resultados experimentais indicaram que o cilindro Hi ie, (\(\mathrm{Al}\)) com cilindro interno (\(\mathrm{CFRP}\)) alcança os melhores resultados. Hi foi estudado analiticamente do ponto de vista de custo e peso leve. Foi relatado que para o mesmo \((\mathrm{U})\), Hi reduz o custo em 32,1% em comparação com (\(\mathrm{CFRP}\)) cilindro e reduz o peso em 33,6% em comparação com (\ (\mathrm{Al}\)) cilindro. Oi pode ser adaptado para absorção de energia. Sun et al.16 estudaram o desempenho de esmagamento quase-estático de tubos híbridos (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) preparados pelo enrolamento filamentoso. Foi relatado que o ângulo de enrolamento e a espessura da parede do corpo de prova têm um efeito importante no mecanismo de falha e nos parâmetros de esmagamento. Aumentar o ângulo de enrolamento diminui \(\left(\mathrm{SEA}\right)\), \((\mathrm{U})\) e \(({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip }})\) de (\(\mathrm{CFRP}\)) e (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) tubos híbridos. Aumentar a espessura do tubo (\(\mathrm{CFRP}\)) melhora \(\left(\mathrm{SEA}\right)\), \((\mathrm{U})\) e \(({\mathrm {F}}_{\mathrm{ip}})\) de (\(\mathrm{CFRP}\)) e (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\) ) híbridos. Em ângulo de enrolamento de 25° e 9 camadas de (\(\mathrm{CFRP}\)), \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) de (\(\mathrm{CFRP}\)) e (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) foram os melhores (48,74 e 79,05 J/g). Além disso, \((\mathrm{U})\) de (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) tubo híbrido excede a soma de seus componentes.