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Nov 27, 2023

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Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21101 (2022) Citer cet article

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Le présent article explore expérimentalement l'influence de l'hybridation des fibres et de la séquence de stratification sur le comportement de résistance aux chocs et l'historique de déformation des tuyaux à parois minces en polymère/métal. De l'époxy renforcé de jute (J) / verre (G) sur des tuyaux en aluminium (Al) enveloppés a été préparé par emballage humide à la main, puis soumis à des charges de compression axiales quasi statiques. Les diagrammes de charge en fonction du déplacement et les indicateurs de collision, c'est-à-dire la charge d'écrasement maximale (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\)), la charge d'écrasement moyenne (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}\)), l'absorption d'énergie totale (\(\mathrm{U})\), l'absorption d'énergie spécifique \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) et l'efficacité de la force d'écrasement \(\left(\mathrm{ CFE}\right)\) ont été déterminés. Les résultats expérimentaux ont révélé que le maximum \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) a été enregistré pour les tuyaux Al/2J/4G/2J avec une valeur d'environ 42,92 kJ/g, avec une amélioration de 20,56 % en \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) par rapport aux tuyaux Al purs. Les spécimens Al/2J/4G/2J affichent le maximum (\(\mathrm{U})\), \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) et \(\left(\mathrm{CFE}\right)\) et pourraient être utilisés comme éléments d'absorption d'énergie dans les automobiles.

Récemment, les sections à paroi mince ont été largement utilisées comme composants résistants aux chocs dans les industries automobile et ferroviaire en raison de leurs nombreux avantages, notamment une capacité d'absorption d'énergie élevée, une rigidité élevée, une résistance élevée, une résistance élevée à la corrosion, un faible poids, un faible coût et une facilité de fabrication1,2. La « résistance aux chocs » peut être définie comme la capacité d'un véhicule à résister aux collisions avec un minimum de blessures ou de dommages corporels ou matériels3,4. Le type de matériau est un facteur important qui affecte les performances des appareils résistants aux chocs5. Des matériaux métalliques conventionnels peuvent être utilisés en raison de la déformation plastique contrôlable6. Au contraire, les composites polymères sont largement utilisés en raison de leur rigidité et/ou résistance spécifique respectable et de leur capacité d'absorption d'énergie exceptionnelle. Les composites ne présentent pas de déformation plastique en raison de leur fragilité. Les matériaux composites absorbent l'énergie par écrasement et délaminage7,8.

Les hybrides ont été adaptés dans les absorbeurs d'énergie car ils combinent la déformation plastique des matériaux métalliques et une plus grande rigidité spécifique et/ou résistance des composites9,10. De nombreux chercheurs ont examiné les performances d'effondrement des conduites hybrides. Babbage et Mallick11 ont étudié expérimentalement les performances d'écrasement axial de tuyaux en aluminium (\(\mathrm{Al}\)) recouverts de verre et d'époxy. L'angle d'orientation du verre E était de ± 45° ou ± 75° par rapport à l'axe du tuyau. Des tuyaux circulaires et carrés (\(\mathrm{Al}\)) ont été adaptés. Certains tuyaux ont été remplis de mousse époxy. Les résultats ont indiqué qu'à mesure que le nombre de couches de verre E augmente, les paramètres de résistance aux chocs seront améliorés. Les paramètres d'écrasement des tuyaux hybrides ronds sont meilleurs que ceux des tuyaux carrés. L'angle d'orientation de ± 45° donne de meilleurs paramètres d'écrasement que ceux de ± 75°. Kalhor et Case12 ont découvert que le suremballage de couches d'époxy renforcées de verre S2 sur des cylindres carrés en acier inoxydable (St) pouvait modifier le mode d'effondrement de la division avec une faible énergie totale absorbée (\(\mathrm{U})\) à un mode symétrique ou mixte avec une oscillation élevée (\(\mathrm{U})\) et faible en phase post-crash. Le nombre de couches verre/époxy dans les cylindres hybrides a un effet majeur sur (\(\mathrm{U})\). Un nouveau mécanisme de déclenchement a été adapté pour modifier la réponse de défaillance à un mode d'effondrement symétrique et, par conséquent, il améliore l'efficacité de la force d'écrasement \(\left(\mathrm{CFE}\right)\) des hybrides proposés.

Liu et al.13,14 ont étudié le comportement de collision des structures en nid d'abeilles en plastique renforcé de fibres de carbone (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) sous une charge axiale. Les résultats ont indiqué que la force d'écrasement maximale (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\)) et (\(\mathrm{U}\)) des structures remplies (\(\mathrm{CFRP}\)) est améliorée de 10 % par rapport aux structures non remplies. Avec la réduction de \((\mathrm{Al})\) longueur de division en nid d'abeille, \((\mathrm{U})\) augmente progressivement tandis que \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) diminue. La résistance aux chocs des matériaux hybrides a été étudiée dans la littérature. Zhu et al.15 ont étudié les indicateurs de crash, y compris \((\mathrm{U})\), et la réponse de défaillance de trois configurations (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) soumises à des charges axiales quasi-statiques. À titre de comparaison, des cylindres vides (\(\mathrm{Al}\)) et (\(\mathrm{CFRP}\)) ont été testés. Les résultats expérimentaux ont indiqué que Hi, c'est-à-dire un cylindre (\(\mathrm{Al}\)) avec un cylindre interne (\(\mathrm{CFRP}\)) donne les meilleurs résultats. Salut a été étudié analytiquement du point de vue du coût et de la légèreté. Il a été rapporté que pour le même \((\mathrm{U})\), Hi réduit le coût de 32,1 % par rapport au cylindre (\(\mathrm{CFRP}\)) et réduit le poids de 33,6 % par rapport au cylindre (\(\mathrm{Al}\)). Salut pourrait être adapté pour l'absorption d'énergie. Sun et al.16 ont étudié les performances d'écrasement quasi-statique de tuyaux hybrides (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) préparés par l'enroulement filamentaire. Il a été rapporté que l'angle d'enroulement et l'épaisseur de la paroi de l'échantillon ont un effet important sur le mécanisme de rupture et les paramètres d'écrasement. L'augmentation de l'angle d'enroulement diminue \(\left(\mathrm{SEA}\right)\), \((\mathrm{U})\) et \(({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})\) des tuyaux hybrides (\(\mathrm{CFRP}\)) et (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)). L'augmentation de l'épaisseur du tuyau (\(\mathrm{CFRP}\)) améliore \(\left(\mathrm{SEA}\right)\), \((\mathrm{U})\) et \(({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})\) de (\(\mathrm{CFRP}\)) et (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) hybrides. À un angle d'enroulement de 25 ° et des tuyaux à 9 plis de (\(\mathrm{CFRP}\)), \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) de (\(\mathrm{CFRP}\)) et (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) étaient les meilleurs (48,74 et 79,05 J/g). De plus, \((\mathrm{U})\) du tuyau hybride (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) dépasse la somme de ses composants.

Selon Wang et al.17, le changement du mode de déformation des tuyaux hybrides (\(\mathrm{Al}\))/(\(\mathrm{CFRP}\)) améliore les énergies internes \(({\mathrm{U}}_{\mathrm{i}})\) des tuyaux (\(\mathrm{Al}\)) et (\(\mathrm{CFRP}\)) de 43,6 et 17,8 % par rapport avec des tuyaux (\(\mathrm{Al}\)) et (\(\mathrm{CFRP}\)) vierges, respectivement ; et améliore l'énergie de dissipation par frottement \(({\mathrm{U}}_{\mathrm{d}})\) de 45,6 % par rapport à la somme de celle des tuyaux vierges (\(\mathrm{Al}\)) et (\(\mathrm{CFRP}\)), améliorant largement \((\mathrm{U})\) de (\(\mathrm{Al}\))/(\(\mathrm{CFRP }\)) tuyaux hybrides. Pour (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)), \(({\mathrm{U}}_{\mathrm{i}})\) augmente de 27,6 % pour le tuyau (\(\mathrm{Al}\)) mais diminue de 31,9 % pour le tuyau (\(\mathrm{CFRP}\)) par rapport au tuyau vierge (\(\mathrm{Al}\)) et net (\(\mathrm{CFRP}\)) canaux, respectivement ; tandis que \(({\mathrm{U}}_{\mathrm{d}})\) diminue de 47,6 % par rapport à la somme de celle des tuyaux vierges (\(\mathrm{Al}\)) et (\(\mathrm{CFRP}\)), signifiant l'importance de l'hybridation sur \((\mathrm{U})\). L'impact de l'épaisseur de la paroi, des dimensions et de la forme de la section sur \((\mathrm{U})\) ainsi que le rapport de coût des hybrides ont également été pris en compte. Il a été enregistré que le tuyau hybride avec un tuyau plus épais (\(\mathrm{CFRP}\)) a plus de \((\mathrm{U})\); tandis que l'hybride avec un tuyau plus fin (\(\mathrm{Al}\)) présente de meilleures caractéristiques d'absorption d'énergie rentables. De plus, à poids constant, le tuyau hybride circulaire avec une taille de section plus petite affiche les meilleures performances. Zang et al.18 ont étudié l'impact de la forme de la section sur l'écrasement axial quasi-statique des conduites hybrides (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)). \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) et l'efficacité de la force d'écrasement \(\left(\mathrm{CFE}\right)\) des tuyaux (\(\mathrm{CFRP}\))/(\(\mathrm{Al}\)) à section circulaire se sont avérés les plus grands. Il a été découvert que la longueur des tuyaux hybrides avec la section transversale circulaire n'a pas d'effet substantiel sur \((\mathrm{U})\), mais le rapport d'épaisseur de (\(\mathrm{Al}\)) à (\(\mathrm{CFRP}\)) c'est-à-dire (tm/tc), le nombre de couches, la direction des fibres et le rapport des fibres dans la direction axiale/circonférentielle ont un impact notable sur le comportement de collision.

Les composites renforcés de fibres affichent de bonnes performances spécifiques de résistance aux chocs qui, en fonction des matériaux constitutifs et de la disposition des fibres, surpassent généralement celles des métaux19. D'autre part, les métaux offrent des solutions relativement rentables avec des mécanismes d'absorption d'énergie bien compris et stables20. La combinaison de composites renforcés de fibres et de métaux dans des systèmes hybrides pourrait ouvrir de nouvelles possibilités en termes de performances fonctionnelles spécifiques rentables sous des charges de choc20. Une structure hybride métal/composite correctement conçue s'est avérée plus légère et plus sûre que les métaux et composites traditionnels avec un coût approprié. Cela prend en charge les structures hybrides métal/composite à adapter comme un excellent substitut dans les applications de crash Mahdi et El Kadi21. A cet égard, des efforts ont été faits pour choisir les renforts appropriés dans les composites pour absorber l'énergie supplémentaire en mode d'écrasement progressif. Des chercheurs récents ont tenté d'atténuer l'utilisation de fibres synthétiques coûteuses en adaptant des fibres naturelles légères, biodégradables et bon marché Supian et al.22. Plusieurs études ont été menées pour explorer la résistance aux chocs des composites renforcés de fibres naturelles23,24,25,26.

En raison de leurs qualités exceptionnelles de polyvalence et de résistance aux chocs, les constructions hybrides métal-composite sont devenues plus populaires dans l'industrie automobile. De nombreuses études sur la résistance aux chocs des hybrides composites métal-fibres synthétiques ont été trouvées dans la littérature. Cependant, très peu de travaux se sont concentrés sur la mise en évidence des mécanismes d'absorption d'énergie des structures hybrides métal-composite de fibres synthétiques-composite de fibres naturelles ; et comment maîtriser le rapport performance/prix des qualités de ces ouvrages reste un problème non résolu. Cette étude vise à réduire le coût et à augmenter l'absorption d'énergie de différentes configurations, c'est-à-dire des tuyaux hybrides époxy renforcés d'aluminium (\(\mathrm{Al}\))/jute (\(\mathrm{J}\))/verre E (\(\mathrm{G}\)). Les impacts du processus d'hybridation de renforcement et des séquences d'empilement de stratification ont été étudiés. Les spécimens ont été confectionnés par gauchissement humide par une procédure de stratification à la main et testés sous des charges axiales quasi statiques. Les indicateurs de résistance à l'impact ont été déterminés et l'historique des déformations a été examiné. Le rapport de coût pour les éléments de dissipation d'énergie proposés a été calculé et comparé. Des images au microscope électronique à balayage (SEM) ont été incluses pour montrer les signes de défaillance dans les spécimens défaillants.

L'alliage d'aluminium (\(\mathrm{Al}6063\)), fourni par Military Production Co. Ltd. (Égypte), sous la forme de tuyaux de 50 mm de diamètre extérieur et de 2 mm d'épaisseur a été adapté dans ce travail. Des tissus tissés de verre E et de jute avec des densités surfaciques de 200 g/m2 ont été fournis par Hebei Yuniu Fiber Glass Manufacturing Co. Ltd., Chine et Zhong Xing Cotton and Jute Co. Ltd. (Chine), respectivement. Les images de surface des tuyaux (\(\mathrm{Al}6063\)), du tissu de jute et du tissu tissé en verre E sont présentées à la Fig. 1. Le Kemapoxy 150RGL fourni par Chemicals for Modern Buildings Co. Ltd. (Égypte) a été désigné comme matrice. Le tableau 1 montre les caractéristiques mécaniques du verre E, du jute, du \(\mathrm{Al}6063\) et du Kemapoxy 150 RGL. La composition chimique de \(\mathrm{Al}6063\) (pourcentage en poids, % en poids) est indiquée dans le tableau 2.

Images de surface de (a) tuyaux Al 6063, (b) tissu tissé en tissu de verre E et (b) tissu de jute tissé.

La méthode de déformation humide à la main a été désignée pour fabriquer les éprouvettes, Fig. 2. En raison de sa facilité et de ses faibles exigences, cette méthode de fabrication a été utilisée par différents chercheurs dans de nombreuses bourses4,5,27,28,29,30. Les étapes du processus de fabrication peuvent être résumées comme suit :

Le mélange à la main et le tourbillonnement de l'époxy et de son durcisseur ont pris environ 5 minutes. Le mélange a été uniformément ajouté aux tissus (Fig. 2a). Les tissus saturés ont été enroulés sur un tuyau en aluminium traité de 50 mm avec (Fig. 2b).

Les tuyaux construits nécessitent "7" jours à 25 \(^\circ\)C pour un durcissement complet selon les recommandations du fabricant de la matrice31. Les tuyaux fabriqués ont été visuellement contrôlés pour les imperfections après durcissement (Fig. 2c). Les tuyaux consolidés ont été coupés en longueur de 100 mm (Fig. 2d).

Huit plis de tissu avec des ordres différents ont été enroulés sur les tuyaux en Al, comme illustré à la Fig. 3. Les dimensions géométriques des éprouvettes sont déclarées dans le tableau 3.

Séquence de processus de fabrication.

Séquences d'empilement des tuyaux hybrides fabriqués.

Pour assurer une liaison solide entre les tuyaux Al, le jute et les tissus de verre E, les tuyaux Al ont subi des traitements mécaniques et chimiques. Tout d'abord, les tuyaux en aluminium ont été soumis à un traitement mécanique en étant rincés à l'acétone, puis lissés avec du papier de verre à grain # 400, puis lavés à l'eau distillée et enfin séchés dans un four. Deuxièmement, les tuyaux en Al traités mécaniquement ont été lavés à l'acide à l'aide de HCl avec une concentration volumétrique de 11 % pendant 30 min à température ambiante. Ensuite, les tuyaux en Al ont été immergés pendant 5 min à 70 ° C dans un solvant NaOH à 5 % en poids. Enfin, les tuyaux en aluminium traités ont été lavés et séchés pour être utilisés dans la fabrication de composites hybrides32. Cette technique a été adaptée par de nombreux investigateurs33,34,35,36,37 qui ont confirmé le succès de cette technique dans l'amélioration de la liaison entre le métal et l'interface polymère.

Une machine d'essai universelle de 100 kN (type : Jinan WDW, Chine) a été sélectionnée pour effectuer les essais quasi-statiques à une vitesse de traverse de 10 mm/min. La figure 4 montre le dispositif expérimental utilisé dans ce travail. Les éprouvettes ont été placées entre deux plaques d'acier planes parallèles l'une à l'autre avant le début de l'essai. Un système d'acquisition automatique de données a été directement mis en œuvre pour enregistrer les données de charge-déplacement. De nombreux auteurs dans leurs études sur la résistance aux chocs ont confirmé cette méthode38,39,40. Les historiques de déformation des éprouvettes ont été suivis et rapportés. Les courbes charge-déplacement pour trois spécimens dans chaque cas ont été enregistrées, et la moyenne des trois courbes a été fournie et tracée. L'échantillon dont la courbe est la plus proche de la courbe moyenne a été considéré comme le plus représentatif et a été présenté aux Fig. 5, 6, 7, 8, 9, 10 et 11 comme indiqué dans la copie révisée. Tandis que les données montrées dans les Figs. 12, 13, 14 et 15 représentent les valeurs moyennes. Les courbes charge-déplacement produites peuvent être utilisées pour quantifier les performances d'échantillons composites métalliques résistants aux chocs. Les paramètres critiques d'écrasement sont les suivants : charge d'écrasement maximale (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\)), charge d'écrasement moyenne (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}\)), absorption d'énergie totale (\(\mathrm{U})\), absorption d'énergie spécifique \(\left(\mathrm{SEA}\right),\) et efficacité de la force d'écrasement \(\left(\mathrm{CFE}\ à droite)\)

La charge d'écrasement maximale (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})\) est enregistrée directement à partir du tracé de charge en fonction du déplacement obtenu. Il est conseillé qu'il soit suffisamment compact pour empêcher l'absorbeur d'énergie de transmettre la force de la collision à la voiture29.

L'absorption d'énergie totale (\(\mathrm{U})\) montre la quantité d'énergie gaspillée pendant le processus de collision, Eq. (1).

où, \(\mathrm{F}\left(\updelta \right)\mathrm{ et }{\delta }_{\mathrm{max}}\) sont respectivement la force d'écrasement immédiate et le déplacement d'écrasement total.

La charge d'écrasement moyenne (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}\)) peut être déterminée par le déplacement total d'écrasement et l'énergie absorbée.

L'efficacité de la force d'écrasement \(\left(\mathrm{CFE}\right)\) est le rapport entre la charge d'écrasement moyenne et la charge d'écrasement maximale. Lorsque le pourcentage d'efficacité de la force d'écrasement est élevé, l'EAC efficace de la structure est également élevé.

L'absorption d'énergie spécifique \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) est calculée en divisant l'énergie absorbée (U) par la masse de l'absorbeur d'énergie (\({\mathrm{m}}_{\mathrm{c}}\)) :

où \(\mathrm{M}/\mathrm{L}\) est la masse de l'absorbeur d'énergie par unité de longueur.

Dispositif expérimental utilisé dans ce travail.

Historique de charge-déplacement et d'écrasement pour l'éprouvette Al.

Historique de charge-déplacement et d'écrasement pour l'échantillon d'essai Al-8J.

Historique charge-déplacement et écrasement pour éprouvette Al/4J/4G.

Historique charge-déplacement et écrasement pour éprouvette Al/4G/4J.

Historique charge-déplacement et écrasement pour éprouvette Al/2G/4J/2G.

Historique charge-déplacement et écrasement pour éprouvette Al/2J/4G/2J.

Historique charge-déplacement et écrasement de l'éprouvette Al/8G.

Charges d'écrasement initiales et moyennes pour les éprouvettes testées.

Absorption d'énergie totale pour les éprouvettes testées.

Absorption d'énergie spécifique pour les éprouvettes testées.

Efficacité de la force d'écrasement pour les éprouvettes testées.

Les diagrammes de charge en fonction du déplacement et les historiques de déformation pour l'époxy renforcé J/G sur des tuyaux enveloppés \((\mathrm{Al})\) sont illustrés aux Figs. 5, 6, 7, 8, 9, 10 et 11. Les résultats, déclarés dans les Fig. 5, 6, 7, 8, 9, 10 et 11, sont pour le spécimen le plus représentatif pour chaque configuration.

Il ressort clairement de la Fig. 5 que l'échantillon \((\mathrm{Al})\) se comporte de manière linéaire jusqu'à ce qu'il s'approche de la charge maximale de 61,87 kN à 3,97 mm, puis il y a une diminution soudaine à 25,23 kN à 10,32 mm. Avec l'augmentation du déplacement, l'échantillon pur \((\mathrm{Al})\) se déforme plastiquement régulièrement et produit un profil de déplacement de charge d'amplitude élevée d'oscillations dans la zone post-crash jusqu'à ce qu'il atteigne le début de la densification à environ 79,41 mm. L'historique d'écrasement pour le tuyau \((\mathrm{Al})\) affiche le pliage et le flambement global du tuyau.

Il ressort clairement de la Fig. 6 que l'échantillon Al/8J se comporte de manière linéaire jusqu'à ce qu'il s'approche de 80,88 kN à 8,06 mm, puis il y a une chute brutale de la charge à 49,65 kN à 18,56 mm. La chute de charge s'accompagne d'une fissuration de la matrice qui commence à se produire du côté supérieur du tuyau en raison de la concentration des contraintes. La courbe charge-déplacement a ensuite commencé à osciller légèrement dans la phase post-écrasement jusqu'à ce qu'elle atteigne le début de la zone de compactage à 64,65 mm. La charge monte rapidement au début de la zone de compactage. Ce résultat est conforme à ce qui a été noté par Abdewi et al.41. La torsion et le pliage peuvent être remarqués. En raison du flambage des fibres, le flambage global du tuyau a été enregistré.

Le diagramme de charge en fonction du déplacement et l'historique de distorsion pour l'échantillon Al / 4J / 4G sous charge quasi statique sont illustrés à la Fig. 7. Le tuyau a un comportement linéaire jusqu'à ce qu'il approche de 86,55 kN à 5,74 mm, puis une forte chute de charge à environ 46,59 kN à 18,41 mm. Après cela, de faibles fluctuations dans la zone post-écrasement ont été observées jusqu'au début de la zone de densification à 65,01 mm. Des rides, des flexions de paroi et des flambages globaux accompagnés de fissures peuvent être observés.

La figure 8 indique la réponse de force par rapport au mouvement et l'historique d'écrasement pour l'échantillon Al/4G/4J obtenu à partir d'un test de compression quasi-statique. Le tuyau a une tendance linéaire jusqu'à ce qu'il approche \({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\) de 87,57 kN à 3,76 mm, suivi d'une chute de charge importante à environ 46,19 kN. Après la chute de la charge, le tracé de la charge en fonction du déplacement a oscillé dans la zone de post-écrasement jusqu'à ce qu'il entre dans le début de la zone de compactage à 63,01 mm. Des fissures matricielles au fond du tuyau peuvent être remarquées.

La figure 9 illustre le diagramme de charge en fonction du déplacement et l'historique de déformation pour l'échantillon Al/2J/4G/2J obtenu à partir d'un essai quasi-statique. Le tuyau a une direction de ligne jusqu'à ce qu'il approche \ ({\ mathrm {F}} _ {\ mathrm {ip}} \) de 79,33 kN à 4,59 mm, la courbe charge-déplacement a oscillé dans la zone de post-écrasement autour de la charge moyenne jusqu'à ce qu'elle entre dans la zone de compactage commençant à 65,01 mm. Des fissures matricielles au fond du tuyau peuvent être remarquées.

La figure 10 montre le tracé de la charge en fonction du déplacement et l'historique de déformation pour l'échantillon Al/2G/4J/2G. Le tuyau fonctionne de manière linéaire jusqu'à ce qu'il approche \({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\) de 81,29 kN à 8,59 mm, suivi d'une forte chute de charge à environ 20,89 kN. Après la chute de la charge, la courbe charge-déplacement a oscillé dans la phase post-écrasement jusqu'à ce qu'elle atteigne le début de la zone de compactage à 70,29 mm. Des fissures matricielles au fond du tuyau peuvent être remarquées.

La courbe de charge en fonction du déplacement et l'historique de distorsion pour l'échantillon Al / 8G sont affichés à la Fig. 11. Il a été observé que le tuyau se comporte de manière linéaire jusqu'à ce qu'il se déplace vers une charge de 77,54 kN à 4,95 mm, suivie d'une forte chute de charge à près de 32,31 kN à 18,37 mm. Après la chute de la charge, le tracé de la charge en fonction du déplacement a oscillé dans la zone de post-écrasement jusqu'au début de la zone de densification à 72,00 mm. Un flambement global avec rupture de fibre peut être observé pour l'éprouvette Al/8G.

Le tableau 4 indique les paramètres de résistance aux chocs pour tous les tuyaux testés en métal/polymère. Il montre également la répétabilité de toutes les données. Il est clair que le coefficient de variation (CV) de tous les résultats est inférieur à 10 %, ce qui confirme la répétabilité des résultats et reflète sa précision visible.

Comme le révèle la Fig. 12, le plus bas \({(\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})\) a été enregistré pour le tuyau \((\mathrm{Al})\) avec une valeur de 61,87 kN. L'hybridation du tuyau \((\mathrm{Al})\) avec huit couches de jute/époxy et de verre/époxy donne une amélioration de, respectivement, 30,73 et 28,56 % dans \({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\) du tuyau \((\mathrm{Al})\). \({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\) des tuyaux Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2J/4G/2J et Al/2G/4J/2G sont, respectivement, environ 1,40, 1,42, 1,28 et 1,31 fois celui du tuyau Al. Cela signifie que l'hybridation de \((\mathrm{Al})\) avec du jute et du verre a un effet positif visible sur la valeur de \({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\).

L'hybridation du tuyau \((\mathrm{Al})\) avec huit couches de jute/époxy et de verre/époxy donne une amélioration de, respectivement, 38,91 et 39,68 % dans le tuyau \(({\mathrm{F}}_{\mathrm{m }})\) du tuyau \(\left(\mathrm{Al}\right)\). \({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\) des tuyaux Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2J/4G/2J et Al/2G/4J/2G sont, respectivement, environ 1,60, 1,61, 1,70 et 1,42 fois celui du tuyau \((\mathrm{Al})\). Cela signifie que l'hybridation de \((\mathrm{Al})\) avec les fibres J et G a un effet positif visible sur la valeur de \({\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}\).

Comme représenté sur la Fig. 13, l'absorption d'énergie la plus élevée \(\left(\mathrm{U}\right)\) a été notée pour le tuyau Al/2J/4G/2J avec une valeur d'environ 3885,55 kJ, tandis que la plus faible \(\left(\mathrm{U}\right) \mathrm{était}\) a été notée pour le tuyau \((\mathrm{Al})\) avec une valeur d'environ 2791,84 kJ, avec amélioration de 39,18 % dans \(\left(\mathrm{U}\right)\) par rapport au tuyau \((\mathrm{Al})\) pur. De plus, la valeur \(\left(\mathrm{U}\right)\) des tuyaux Al/8J, Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2G/4J/2G et Al/8G est respectivement d'environ 1,13, 1,27, 1,28, 1,21 et 1,11 fois celle du tuyau \(\left(\mathrm{Al}\right)\). Cela signifie que l'hybridation de \((\mathrm{Al})\) avec du jute et du verre a un effet positif visible sur la valeur de \(\left(\mathrm{U}\right)\).

Comme le montre la Fig. 14, la valeur d'absorption d'énergie spécifique \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) la plus élevée a été enregistrée pour le tuyau Al/2J/4G/2J avec une valeur d'environ 42,92 kJ/g, avec une amélioration de 20,56 % en \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) par rapport au tuyau en Al pur. Alors que le \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) le plus bas a été détecté pour le tuyau Al-8J avec une valeur d'environ 30,08 kJ/g. \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) des tuyaux Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2G/4J/2G et Al/8G sont, respectivement, environ 1,10, 1,15, 0,99 et 0,98 fois celui du tuyau \(\left(\mathrm{Al}\right)\). Il est clair que l'enveloppement de couches d'époxy hybrides jute/verre renforcées sur des tuyaux \(\left(\mathrm{Al}\right)\) améliore \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) des tuyaux \((\mathrm{Al})\).

Comme représenté sur la Fig. 15. La valeur \(\mathrm{CFE}\) la plus élevée a été enregistrée pour les tuyaux Al/2J/4G/2J avec une valeur d'environ 0,75, tandis que la valeur \(\mathrm{CFE}\) la plus basse a été détectée pour les tuyaux \((\mathrm{Al})\) et Al/8G avec une valeur d'environ 0,57. Hybridation du tuyau \((\mathrm{Al})\) avec huit couches de jute/époxy 7.01 et % en \(\mathrm{CFE}\) du tuyau \(\left(\mathrm{Al}\right)\). \(\mathrm{CFE}\) des tuyaux Al/4J/4G, Al/4G/4J et Al/2G/4J/2G sont, respectivement, environ 1,14, 1,14 et 1,07 fois celui du tuyau \((\mathrm{Al})\). Cela signifie que l'hybridation de \((\mathrm{Al})\) avec du jute et du verre a un effet positif visible sur la valeur de \(\mathrm{CFE}\).

En règle générale, les absorbeurs d'énergie sont conçus pour absorber l'énergie d'écrasement. Un facteur crucial à considérer lors de l'examen de l'EAC des tuyaux hybrides en composite métallique est le mécanisme de défaillance42. Des photos d'échantillons typiques des vues de dessus du spécimen écrasé sont incluses dans la Fig. 16. Il est possible de voir deux modes de dommages. Ils entrent dans les catégories suivantes :

Vues de dessus pour les spécimens ayant échoué.

Approche I : un spécimen \((\mathrm{Al})\) vierge a enregistré un mode axisymétrique ou annulaire.

Approche II : Initialement, des macro-fissures matricielles se sont formées et les conduites hybrides ont commencé à se déformer. Les fissures se sont ensuite propagées dans une direction éloignée du tuyau. La propagation supplémentaire de la fissuration de la matrice entraîne la flexion des lamelles, la formation de plis internes et externes, le délaminage interlaminaire, la rupture des fibres et la micro-fissuration de l'époxy, comme le montrent les images SEM pour les spécimens défaillants présentés à la Fig. 17.

SEM pour les spécimens ayant échoué.

Lors de la conception de tuyaux hybrides métal-composite, le coût est un facteur critique influencé à la fois par les facteurs de conception et de production. Dans cette étude, les prix des matériaux utilisés sont de 5,0 $/kg pour l'Al 6063, 2,0 $/kg pour le tissu de verre E, 1,0 $/kg pour le tissu de jute et 2,0 $/kg pour la résine époxy utilisée. Dans cette étude, le ratio de coût a été évalué comme \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) divisé par le coût du tuyau (Al, fibre et matrice). Il ressort clairement de la Fig. 18 que les tuyaux Al/2J/4G/2J, Al et Al/4G/4J ont atteint le rapport de coût le plus élevé avec des valeurs de 77,33, 74,01 et 73,42J.$/g, respectivement. Les tuyaux Al/2J/4G/2J, Al et Al/4G/4J sont les plus efficaces et pourraient être utilisés dans des applications automobiles en tant que composants absorbant l'énergie. Le tableau 3 comprend le coût de chaque tuyau fabriqué et les valeurs normalisées du coût des spécimens.

Rapport de coût des spécimens hybrides étudiés.

Le tableau 5 répertorie certaines données publiées antérieurement pour \(\left(\mathrm{SEA}\right)\) d'absorbeurs d'énergie fabriqués à partir de composites renforcés naturels/synthétiques et de matériaux métalliques pour évaluer la résistance aux chocs du matériau proposé. Il ressort clairement du tableau 4 que la combinaison de l'enveloppement de fibres naturelles/synthétiques hybrides sur des tuyaux \((\mathrm{Al})\) peut améliorer les performances de résistance aux chocs des absorbeurs d'énergie \((\mathrm{Al})\). De plus, par rapport aux métaux traditionnels, aux composites renforcés de fibres et aux tuyaux hybrides, les tuyaux proposés ont démontré des performances de résistance aux chocs améliorées et, par conséquent, l'absorbeur d'énergie innovant peut être utilisé comme composants absorbant l'énergie dans les structures de véhicule orientées vers l'avant, c'est-à-dire des tiges résistantes aux chocs ou une boîte de collision et peut également être adapté dans le fuselage des avions. Les boîtes de sécurité fabriquées à partir des composites hybrides métal/polymère proposés peuvent être conçues pour un type spécifique de charge pour des applications hautes performances et des équipements de sécurité dans les industries du transport telles que la marine, l'aérospatiale et l'automobile, comme illustré à la Fig. 19.

Application recommandée pour le composant métal/polymère proposé et mode d'incorporation.

Cet article explore l'effet des séquences de stratification sur la résistance aux chocs et le mécanisme d'endommagement des tuyaux hybrides composites métal/polymère. Les tuyaux circulaires ont été préparés via une procédure d'emballage humide à la main et soumis à des charges axiales. Les observations suivantes ont été documentées :

Les processus d'hybridation et de stratification des séquences ont un effet substantiel sur la résistance aux chocs et les mécanismes d'endommagement des structures composites métal/polymère. L'hybridation des tuyaux \((\mathrm{Al})\) avec des couches d'époxy renforcées de jute et de verre entraîne une augmentation de (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\)), (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{m}})\),\((\mathrm{U})\) et \((\mathrm{CFE})\). Le plus haut (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}\)) a été enregistré pour Al/4G/4J avec une valeur de 87,56. Les (\({\mathrm{F}}_{\mathrm{m}})\), \((\mathrm{U})\), \(\left(\mathrm{SEA}\right)\), CFE et ratio de coût les plus élevés ont été enregistrés pour Al/2J/4G/2J avec, respectivement, des valeurs de 59,76 kN, 3885,55 J et 42,92 J/g, 0,75 et 77 .33 J.$/g. La capacité exceptionnelle d'absorption d'énergie, le faible poids et le rapport de coût élevé rendent Al/2J/4G/2J adapté à une utilisation en tant que composants de dissipation d'énergie dans les automobiles.

L'hybridation de tuyaux \((\mathrm{Al})\) avec de l'époxy renforcé de jute de verre modifie le mécanisme de rupture du mode axisymétrique ou annulaire au flambement, à la formation de macro-fissures matricielles, à la propagation des fissures dans la direction périphérique du tuyau. La propagation supplémentaire des fissures conduit à la flexion des lamelles et à la formation de plis internes et externes, au délaminage, à la rupture des fibres et à l'arrachement des fibres.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Département de conception mécanique et d'ingénierie de production, Université de Zagazig, Zagazig, 44519, Égypte

Marwa A. Abd El-Baky, Mahmoud M. Awd Allah & Walaa Abd-Elaziem

Département de génie mécanique, Université du canal de Suez (SCU), Ismailia, Égypte

Madeha Chameau

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MAAE : Idée, rédaction-conceptualisation et méthodologie, préparation du projet original, enquête, rédaction-révision et édition, supervision. MMAA : travail expérimental, écriture-conceptualisation et méthodologie, préparation du projet original, enquête, écriture-révision et édition. MK : Ecriture-préparation du brouillon original, préparation des figures. WA : Ecriture-préparation du brouillon original, préparation des figures. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Marwa A. Abd El-baky.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

El-baky, MAA, Allah, MMA, Kamel, M. et al. Matériaux hybrides légers et économiques pour les applications d'absorption d'énergie. Sci Rep 12, 21101 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25533-3

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Reçu : 28 septembre 2022

Accepté : 30 novembre 2022

Publié: 06 décembre 2022

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

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