用于模拟波纹锥形管准静态压缩的有限元建模
2023年1月6日
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。
要导入和创建零件，请打开有限元软件。通过左键单击 File（文件），选择 Import（导入），然后选择 Part（部件）来导入部件 ST。选择文件 ST 并将此部件命名为 ST。接下来，创建零件 Bottom Plane。
左键单击 Create Part，导航到 Shape，然后选择 Shell。将此零件命名为 Bottom Plane，然后单击 Continue。选择以创建圆、圆心和周长，并绘制一个以原点为中心、半径为 20 毫米的圆。
将参考点 Set-4 添加到零件 Bottom Plane。同样，创建 Top Plane，并将参考点 Set-5 添加到零件 Top Plane。现在，左键单击 Create Material。
转到常规，按顺序选择密度，然后在质量密度下输入 7.85 乘以 10 的负 9 次方。左键单击 Mechanical。依次选择 Elasticity （弹性），然后依次选择 Elastic （弹性）。
在杨氏模量和泊松比下，分别输入 185、000 和 0.3。然后，左键单击 Mechanical。选择 Plasticity，然后单击 Plastic。
在 Yield Stress 和 Plastic Strain 中输入数据。左键单击 Create Section。转到类别，选择 Shell，然后左键单击继续。
在 Shell thickness（壳厚度）下，选择 Nodedal distribution（节点分布）。左键单击 Create Analytical Field。选择 Expression field （表达式字段） 并输入公式。
左键单击 Assign Section。选择 ST 从界面中，然后左键单击 完成，然后是 OK。现在，要将零件组装成一个整体，请左键单击 Create Instance。选择 ST、Bottom Plane 和 Top Plane，然后单击 OK。左键点击旋转实例，选择底面和顶面，依次输入旋转轴的起点 000 和终点 100。
在 Angle of rotation （旋转角度） 下，输入 90。左键单击 Create Step，选择 Dynamic、Explicit，然后左键单击 Continue。在 Time period （时间段） 下，输入 0.05，然后左键单击 OK （确定）。然后，左键单击 Create History Output 并选择 Energy 。
左键单击 Create History Output，转到 Domain，然后选择 Set-5。导航到 Output Variables。输入 RF2 U2 并左键单击 OK。现在，将接触属性、类型以及 Top 和 Bottom Planes 设置为刚体。
左键单击 Create Interaction Property （创建交互属性）。选择 Contact，转到 Mechanical，然后选择 Tangential Behavior。在 Friction formulation （摩擦力公式） 下，选择 Penalty （罚分），然后在 Friction Coefficient （摩擦系数） 下输入 0.2。
左键单击 Create Interaction （创建交互）。选择 General contact ， explicit，然后在 Global property assignment 下，选择 indProp-1。左键单击 Create Constraint。
在类型下，选择刚体，然后选择下平面和上平面。要修复 Bottom Plane 并在 Top Plane 上设置每秒 500 毫米的向下加载速度，请左键单击 Create Boundary Condition。在 Types for Selected Step 下，选择 Displacement 或 Rotation。
选择 Set-4 并在所有方向上输入 0。左键单击 Create Boundary Condition。转到 所选步骤的类型.
选择 Velocity 或 Angular velocity。选择 Set-5，在 V2 下输入负 500，然后在另一个方向输入零。左键单击 Seed Part，在 Approximate global size 下输入 0.8，然后在 By absolute value 下输入 0.08。
左键单击 Mesh Part 并选择 Yes。左键单击 Assign Element Type（分配元素类型），选择零件，然后选择 Done（完成）。在 Element Library 下，选择 Explicit，然后左键单击 OK.To 提交计算并导出结果，左键单击 Create Job，选择要计算的模型，然后左键单击 Continue 。
左键单击 Job Manager，选择要计算的模型，然后左键单击 Submit。选择已完成的计算模型，然后左键单击 Results 进入可视化效果。ST 的变形模式是从可视化中获得的。
随着厚度变异因子 k 的增加，ST 的变形模式由横向膨胀和收缩转变为轴向渐进折叠。CT 管的变形模式由菱形渐进式折叠转变为圆形渐进式折叠。而 DT 管始终保持横向膨胀和收缩模式。
峰值破碎力明显下降，力波动幅度变小。k 值越高，屈曲发生在更靠近加载端的位置，而塑性折叠的横截面厚度较小。因此，峰值破碎力也减小了。
能量吸收和比能量吸收显著增加。并且破碎力效率随着 k 的增加而增加。同时，薄壁管的吸能量随 k 值的增加而略有变化，这也提高了破碎力效率。
在 k 值为零的 3D 打印不锈钢 CT 上进行的准静态压缩实验表明，实验和模拟的力-位移曲线匹配良好，变形模式几乎相同。
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概述
该协议描述了使用有限元模拟对波纹锥形管的准静态压缩性能进行研究。研究了厚度梯度对压缩性能的影响。
关键研究组成部分
科学领域
- 机械工程
- 材料科学
- 有限元分析
背景
- 波纹锥形管在各种工程应用中使用。
- 了解它们的压缩性能对设计优化至关重要。
- 厚度梯度可能影响机械性能。
- 有限元模拟提供了材料在压力下行为的洞察。
研究目的
- 研究波纹锥形管的压缩性能。
- 分析厚度梯度对变形模式的影响。
- 通过设计修改改善能量吸收性能。
使用的方法
- 进行了有限元模拟以模拟管的行为。
- 应用了不同的厚度梯度以评估性能变化。
- 模拟压缩测试以评估能量吸收。
- 进行数据分析以解释结果。
主要结果
- 适当的厚度梯度设计可以改变变形模式。
- 观察到能量吸收性能显著改善。
- 模拟结果与理论预期一致。
- 研究结果可以为未来波纹结构设计提供参考。
结论
- 厚度梯度在管的性能中起着关键作用。
- 有限元模拟对于性能评估是有效的。
- 优化设计可以提高能量吸收能力。
常见问题
Executive Industry Relevance
Finite element modeling of quasi-static compression in corrugated tapered tubes enables predictive evaluation of structural energy absorption, supporting early-stage material and device design in biopharma R&D. Quantitative simulation outputs inform risk-adjusted decisions for translational device development and mechanistic de-risking of engineered constructs. This approach enhances confidence in preclinical performance and supports portfolio triage for advanced material candidates.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables hypothesis-driven interrogation of material deformation and failure mechanisms under controlled loading.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying the impact of thickness gradients and corrugation on energy absorption.
- Provides predictive confidence for selecting structural designs with optimal safety margins.
Screening & Assay Development
- Facilitates rapid virtual screening of design variants for energy absorption and load-displacement performance.
- Delivers standardized, reproducible simulation outputs for cross-comparison of candidate geometries.
- Generates quantitative metrics (EA, SEA, peak force) to inform downstream experimental validation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns simulation outputs with experimental force-displacement data for translational continuity.
- Supports risk-adjusted advancement of engineered devices by predicting in situ mechanical behavior.
- Enables mechanistic benchmarking of new materials or geometries prior to preclinical testing.
Pipeline & Workflow Integration
Finite element simulation integrates into the discovery-to-preclinical continuum by providing early, quantitative insights into structural performance, informing both design iteration and experimental prioritization.
- Discovery Biology: Quantifies deformation modes and failure thresholds to clarify structure-function relationships.
- Screening: Provides reproducible, quantitative readouts for rapid comparison of design variants.
- Analytics: Outputs load-displacement curves, energy absorption, and efficiency metrics for data-driven decision making.
- Translational Research: Bridges simulation and experimental validation for preclinical device development.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable modeling framework for future material and device optimization projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in structural design.
- Operational Value: Standardizes simulation workflows and enables scalable virtual screening.
- Strategic Value: Supports informed go/no-go decisions and reduces late-stage design risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of device and material candidates for advancement.
Implementation Considerations
- Requires expertise in finite element modeling and material mechanics.
- Demands access to simulation software and computational infrastructure.
- Necessitates standardized input parameters and validation against experimental data.
- Adaptation may be needed for different geometries or material systems.
- Simulation accuracy depends on precise material property inputs and boundary condition definitions.
