カーボンファイバーチューブは一般的なタイプのカーボンファイバー製品です。炭素繊維チューブは複合材料パイプの中でも高性能複合材料パイプに属します。密度は比較的低いですが、強度は鋼の7-9倍であり、耐衝撃性と耐食性において優れた性能上の利点もあります。この記事は、Boshi編集者がカーボンファイバーチューブの曲げ実験を分析したものです。
曲げ実験は主に、曲げ静荷重下での材料の性能や挙動をテストするために使用されます。脆性材料や低塑性材料の強度指数を求めたり、たわみによって塑性能力を表現するのに適しています。材料工学でよく使われる実験手法です。曲げ実験では、試験片断面の応力・ひずみ分布は不均一であり、表面応力・ひずみは比較的大きく、引張実験での応力・ひずみとは大きく異なります。この違いは、試験片の断面の応力勾配に反映されます。
曲げ試験は、その荷重方法に基づいて、静的試験と動的試験の 2 つのカテゴリに分類できます。静的曲げ試験には、3点曲げ（集中荷重）試験と4点曲げ（等曲げモーメント荷重）試験の2種類があります。この実験では、3 点曲げ、拘束されていないサポート、および一定の荷重速度を使用して試験片に荷重を加え、試験片が破損するか特定のたわみ値に達するようにします。
実験方法: 実験サンプルとして、壁厚 1 mm、長さ 100 mm、直径 10 mm、30 mm、60 mm、90 mm、120 mm、150 mm の炭素繊維円管を 1 本選択します。実験では、試験片にかかる荷重や試験片のたわみを測定・記録し、曲げ強度や曲げ弾性率を計算し、曲げ応力とひずみの関係を推測する必要があります。
カーボンファイバーチューブの曲げ試験では、主に引張応力と圧縮応力がかかるため、曲げ性能は引張特性と圧縮特性と同様になります。ただし、圧縮試験と比較して曲げ試験では応力領域が小さいため、一般に曲げ強度は引張強度および圧縮強度の値よりも高くなります。
研究と試験によると、直径が 100 mm を超える炭素繊維円形チューブと直径が 30 mm 未満の炭素繊維円形チューブは、軸方向の力の下で良好な線形弾性を示し、破損した場合には明らかな脆性を示します。損傷は直径の大小には直接関係しませんが、パイプの積層および層間接着強度に密接に関係します。円管の製造工程において、炭素繊維複合材料の層間の接着強度が不十分な場合、層間剥離が発生し、パイプ全体の性能に影響を与えます。
また、円管の断面強度も重要です。調査と比較の結果、パイプ完成品の破損確率が発生する少数のケースでは、破損領域のほとんどがパイプと金属の接合部に集中していることが判明しました。物理解析の結果、金属製の接合部がカーボンファイバー製の円形チューブに比べて薄すぎることが原因であると推測されました。したがって、パイプと金属部品間の接続の設計では、この問題を真剣に考慮する必要があります。
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