圖 9.對應于管道類別 DN350 的平均軸向和平均環向拉伸強度及其相關標準偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

圖 10.對應于管道類別DN500 的平均軸向和平均環向拉伸強度及其相關標準偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

圖 11.對應于管道類別DN700 的平均軸向和平均環向拉伸強度及其相關標準偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

圖 12.對應于管道類別 DN800 的平均軸向和平均環向拉伸強度及其相關標準偏差：（a） PN3、（b） PN6 和 （c） PN10。

表 2.平均軸向和平均環向拉伸強度

從圖 9、圖 10、圖 11、圖 12 和表 2 中可以看出，對于給定的壓力等級，當轉向更高的剛度等級時，軸向拉伸強度會降低。而對于給定的剛度等級，當轉向更高的壓力等級時，軸向拉伸強度會增加，這證實了克服更高壓力所需的增強強度要求。值得注意的是，在較高剛度等級中，強度擔憂的增加是微不足道的；事實上，對于對應于剛度等級 SN 3 的壓力等級 PN 6 和 PN 10000，強度擔憂為零。這主要是由于剛度等級 SN 10000 的最小軸向拉伸強度要求，超過了壓力等級 PN 3 和 PN 6 的強度要求。

同樣，通過圖 9、圖 10、圖 11、圖 12 和表 2 的可視化分析，對于給定的壓力等級，通常隨著轉向更高的剛度等級，箍抗拉強度會降低，壓力等級 PN 3 除外，其影響微乎其微或幾乎沒有。因此，較高的剛度等級具有較低的環向抗拉強度；而對應于 PN 3 的例外情況突顯了相關壓力等級所需的最小環向抗拉強度，超過了剛度等級 SN 2500、SN 5000 和 SN 10000 的強度要求。對于給定的剛度等級，與軸向拉伸強度相似，當轉向更高的壓力等級時，環向拉伸強度也會增加，這進一步證實了克服更高壓力所需的增強強度要求。值得注意的是，在較高剛度等級下，環向抗拉強度擔憂的增加是微不足道的；事實上，對于對應于剛度等級 SN 3 的壓力等級 PN 6 和 PN 10000，強度擔憂為零。這主要是由于剛度等級 SN 10000 的最小環向拉伸強度要求，超過了壓力等級 PN 3 和 PN 6 的強度要求。

圖 13、圖 14 分別顯示了顆粒 FRP 復合管中平均軸向和平均環向抗拉強度的變化與顆粒增強材料（沙子）的平均組成的變化。盡管數據中存在一定數量的散射，但一階多項式曲線擬合表明，顆粒增強材料的平均組成增加會導致平均軸向和平均環向抗拉強度降低。雖然，較高的顆粒增強量增強了顆粒 FRP 復合管的剛度并降低了成本，但正如實驗結果所證明的那樣，應謹慎使用多少顆粒增強。

圖 13.對應于顆粒增強的平均組成的平均軸向拉伸強度的變化

圖 14.對應于顆粒增強的平均組成的平均環抗拉強度的變化

圖 15、圖 16 分別顯示了顆粒 FRP 復合管中平均軸向和平均環向拉伸強度的變化與樹脂平均組成的變化。與顆粒增強相比，樹脂成分的平均變化要小得多，因為它從 25% 到 32% 不等。從總體數據中可以證明，當樹脂成分增強時，軸向和環向拉伸強度會增加。除了提高整體強度外，樹脂還可以使纖維保持在適當的位置和方向，并保護復合結構免受環境破壞。

圖 15.對應于樹脂平均成分的平均軸向拉伸強度的變化

圖 16.對應于樹脂平均成分的平均環向拉伸強度的變化

圖17、圖 18分別顯示了微粒 FRP 復合管中平均軸向和平均環向抗拉強度的變化與切碎玻璃平均成分的變化。與對應于顆粒增強和樹脂的分散數據集相比，平均短切玻璃成分和平均軸向拉伸強度之間的線性關系非常明顯。這基本上是合乎邏輯的，因為在所有組成材料中，短切玻璃是對顆粒 FRP 復合管中環狀纏繞的軸向拉伸強度值（纏繞角度為 89° 度）有重大貢獻的材料。短切玻璃的平均成分變化帶與樹脂非常相似，因為它從 8% 到 15% 不等。盡管與平均環狀抗拉強度相關的數據中存在一定量的散射，但當根據 1 階多項式曲線擬合增強切碎玻璃成分時，它仍然會增加。斬玻璃通過加強復合材料的較弱面，有助于協調復合材料的整體強度。因此，較多的碎玻璃可能會導致顆粒 FRP 復合管中薄弱/弱化區域的強化。

圖17.對應于短切玻璃的平均成分的平均軸向拉伸強度的變化

圖 18.對應于切碎玻璃的平均成分的平均環抗拉強度的變化

圖 19、圖 20 分別顯示了顆粒 FRP 復合管中平均軸向和平均環狀拉伸強度的變化與玻璃纖維（環狀玻璃）平均組成的變化。玻璃纖維成分的變化比切碎玻璃略寬，因為它從 9% 到 25% 不等。從總體數據中可以看出，當平均玻璃纖維成分增強時，平均軸向拉伸強度會增加。平均玻璃纖維組成與平均環向拉伸強度之間的線性關系很尖銳。這又是合乎邏輯的，因為在所有組成材料中，玻璃纖維是唯一直接影響顆粒 FRP 復合管中環狀纏繞的環向拉伸強度（纏繞角度為 89° 度）的材料。

圖 19.對應于環狀玻璃平均成分的平均軸向拉伸強度的變化

圖 20.對應于環狀玻璃的平均成分的平均環狀抗拉強度的變化

3 結語

本研究對顆粒增強纖維復合材料（FRP）管在軸向和環向拉伸強度方面進行了全面的實驗研究，深入探討了組成材料對這些力學性能的影響。通過一系列精心設計的實驗，我們分析了不同類型的纖維、顆粒以及它們的配比對復合管性能的具體作用。研究結果揭示了材料組成與復合管軸向和環向拉伸強度之間的關系，為工程師和制造業專業人士提供了重要的設計指導和參考依據。這些發現不僅有助于優化復合材料的性能，而且對于提高相關產品的可靠性和延長使用壽命具有重要意義。

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

2) 具有卓越軸向拉伸強度的管道設計應包含更高比例的短切玻璃。而具有出色環向抗拉強度的管道設計則應包含更高比例的環狀玻璃。

3) 增加顆粒增強的比例將提升管道剛度并降低成本。然而，觀察發現，較高比例的顆粒增強會導致軸向和環向強度的降低。

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

5) 組成材料的比例對管道性能具有顯著影響。因此，針對特定設計要求優化性能是可行的，且僅受限于現有實驗數據庫的范圍。

參考文獻：

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.