用于模拟波纹锥形管准静态压缩的有限元建模

Summary

该协议描述了使用有限元仿真对波纹锥形管的准静态压缩性能的研究。研究了厚度梯度对压缩性能的影响。结果表明，适当的厚度梯度设计可以改变管材的变形模式，显著提高管材的吸能性能。

Abstract

在本研究中，使用有限元仿真研究了锥形管的准静态压缩性能。以前的研究表明，厚度梯度可以降低初始峰值力，而横向波纹可以提高能量吸收性能。因此，设计了两种厚度可变的横向波纹锥形管，并分析了它们的变形模式、载荷位移曲线和能量吸收性能。结果表明，当厚度变化因子 （k） 为 0.9、1.2 和 1.5 时，单波纹锥形管 （ST） 的变形模式由横向膨胀和收缩转变为轴向渐进折叠。此外，厚度梯度设计提高了 ST 的能量吸收性能。与 k = 0 的 ST 模型相比，k = 1.5 模型的能量吸收 （EA） 和比能量吸收 （SEA） 分别增加了 53.6% 和 52.4%。与锥形管相比，双波纹锥形管 （DT） 的 EA 和 SEA 分别提高了 373% 和 95.7%。k 值的增加导致管材的峰值破碎力显著降低，破碎力效率提高。

Introduction

耐撞性是轻量化汽车的一个基本问题，薄壁结构被广泛用于提高耐撞性。典型的薄壁结构，如圆管，具有良好的能量吸收能力，但在破碎过程中通常具有较大的峰值力和负载波动。这个问题可以通过引入轴向波纹 ^1,2,3 来解决。波纹的存在使管子能够根据预先设计的波纹图案进行塑性变形和折叠，这可以减少峰值力和负载波动 ^4,5。然而，这种稳定且受控的变形模式有一个缺点:能量吸收性能下降。为了提高轴向波纹管的能量吸收，研究人员尝试了许多方法，例如在波长 ^6,7 和振幅⁸ 中使用功能梯度设计，使用填充泡沫 ^9,10，形成多腔和多壁结构¹¹，以及形成组合管¹²。

此....

Protocol

1. 在 CAD 软件中创建曲面

1. 打开 CAD 软件 （请参阅 材料表），左键单击 文件，左键单击 新建，然后选择 零件。
2. 在 Part1 中，右键单击 Top，然后选择 Show 。
3. 创建新平面:按 Ctrl 键，然后单击鼠标左键以选择 Top plane（ 顶部 ）平面并将其向上拖动。输入 30 mm 作为 Offset Distance，并将平面重命名为 "Bottom"。
4. 在 "Top" 平面上创建草图。
   1. 右键单击 Top，然后选择 Sketch 以创建 Sketch 1。在草图的样条曲线中选择方程式驱动的曲线。
   2. 在

Results

几种常用的指标用于确定结构的耐撞性，包括总能量吸收 （EA）、比能量吸收 （SEA）、峰值破碎力 （PCF）、平均破碎力 （MCF） 和破碎力效率 （CFE）⁴²。

总能量吸收 （EA）⁴³ 可以表示如下:

(1)

其中 l 是破碎距离， F（x） 是破碎力。为了比较本研究中研究的每种结构的能量吸收性能，将破碎距离设置为 20 毫米。

SEA¹⁶ 表示结构每单位质量吸收的能量:

Discussion

通过有限元分析研究了锥形管的准静态压缩性能。设计了两种新型不同厚度的波纹锥形管，并研究了它们的准静态压缩性能。在准静态压缩仿真中，需要验证一些重要的步骤和设置。

材料参数是有限元计算的基本要求（协议的步骤 2.2.1）。在本研究中，材料参数从文献⁴¹.对 316 L 不锈钢进行了标准拉伸试验，获得了材料的标称应力-应变曲线。然后，使用公式 5 和公式 6 将名义应力-应变曲线转换为真实应力-应变曲线（图 2）。最后，从真实应力-应变曲线中获得杨氏模量、屈服应力和塑性应变等参数。

(5)

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ABAQUS	Dassault SIMULIA	有限元软件
CT	Botong 3D 打印	用于实验
SOLIDWORKS	Dassault Systemes	CAD 软件
通用试验机	SUNS	UTM5205， 200kN