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Methodenartikel

Finite-Elemente-Modellierung zur Simulation der quasistatischen Kompression von gewellten konischen Rohren

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DOI:

10.3791/64708

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6. Januar 2023

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1School of Civil Engineering, Guangzhou University, 2Guangdong Provincial Key Laboratory of Earthquake Engineering and Applied Technology, Guangzhou University, 3Department of Mechanics and Aerospace Engineering, Southern University of Science and Technology, 4School of Physics and Materials Science, Guangzhou University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt die Untersuchung des quasi-statischen Druckverhaltens von gewellten konischen Rohren mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen. Es wurde der Einfluss des Dickengradienten auf die Kompressionsleistung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die richtige Auslegung des Dickengradienten den Verformungsmodus ändern und die Energieabsorptionsleistung der Rohre erheblich verbessern kann.

Zusammenfassung

In dieser Studie wurde das quasi-statische Druckverhalten von konischen Rohren mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen untersucht. Frühere Studien haben gezeigt, dass ein Dickengradient die anfängliche Spitzenkraft verringern kann und dass seitliche Riffelung die Energieabsorptionsleistung erhöhen kann. Daher wurden zwei Arten von seitlichen Wellrohren mit variabler Dicke entworfen und deren Verformungsmuster, Lastverschiebungskurven und Energieabsorptionsleistung analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass sich bei einem Dickenvariationsfaktor (k) von 0,9, 1,2 und 1,5 der Verformungsmodus des einzelnen gewellten konischen Rohrs (ST) von transversaler Ausdehnung und Kontraktion zu axialer progressiver Faltung änderte. Darüber hinaus verbesserte das Design des Dickengradienten die Energieabsorptionsleistung des ST. Die Energieabsorption (EA) und die spezifische Energieabsorption (SEA) des Modells mit k = 1,5 stiegen um 53,6 % bzw. 52,4 % im Vergleich zum ST-Modell mit k = 0. Der EA und der SEA des Doppelwellrohrs (DT) stiegen im Vergleich zum konischen Rohr um 373 % bzw. 95,7 %. Die Erhöhung des k-Wertes führte zu einer deutlichen Verringerung der Spitzenbrechkraft der Rohre und zu einer Erhöhung der Brechkrafteffizienz.

Einleitung

Die Crashsicherheit ist ein wesentliches Thema für leichte Automobile, und dünnwandige Strukturen werden häufig verwendet, um die Crashsicherheit zu verbessern. Typische dünnwandige Strukturen, wie z. B. Rundrohre, haben ein gutes Energieabsorptionsvermögen, weisen aber in der Regel große Spitzenkräfte und Lastschwankungen während des Brechprozesses auf. Dieses Problem kann durch die Einführung von axialen Wellen 1,2,3 gelöst werden. Das Vorhandensein von Wellen ermöglicht es dem Rohr, sich plastisch zu verformen und gemäß einem vorgegebenen Wellenmuster zu falten, wodurch die Spitzenkraft und die Lastschwankungen reduziert werden können 4,5. Dieses stabile und kontrollierte Verformungsmuster hat jedoch einen Nachteil: Die Energieabsorptionsleistung nimmt ab. Um die Energieabsorption von axialen Wellrohren zu verbessern, haben die Forscher viele Verfahren ausprobiert, wie z. B. die Verwendung eines funktionellen Gradientendesigns in der Wellenlänge 6,7 und der Amplitude8, die Verwendung von Füllschaum 9,10, das Formen von Mehrkammer- und mehrwandigen Strukturen11 und das Formen von kombinierten Rohren12.

Darüber hinaus haben Forscher seitliche Wellrohre entworfen, indem sie Wellen in den Querschnitt der kreisförmigen Rohre 13,14,15,16 eingebracht haben. Das Vorhandensein von seitlichen Wellen verbessert die Energieabsorptionsleistung des Rohres 17,18,19 erheblich. Eyvazian et al.20 verglichen die Crashsicherheit von seitlichen Wellrohren und gewöhnlichen runden Rohren und zeigten, dass seitliche Wellrohre ein besseres Energieabsorptionsvermögen hatten. Ein Grund für diese Beobachtung ist, dass die seitliche Riffelung die Rohrwand verstärkt, was sie widerstandsfähiger gegen Kunststofffalten macht. Außerdem flacht sich die Wellwand des Kunststoff-Faltteils ab, und diese Abflachung nimmt ebenfalls Energie auf. Die hohe Anfangsspitzenkraft ist jedoch ein Nachteil dieser Art von Röhren, und diese hohe Anfangskraft kann die Sicherheit der zu transportierenden Passagiere ernsthaft beeinträchtigen.

Funktionell abgestufte Strukturen haben einen natürlichen Vorteil bei der Reduzierung der Spitzenkraft. Übliche funktional abgestufte dünnwandige Rohre werden in der Regel durch Änderung der geometrischen Parameter (z. B. Durchmesser und Wandstärke) gebildet21. Die gebräuchlichsten Strukturen, bei denen der Durchmesser geändert wird, sind konische Rohre, einschließlich kreisförmiger konischer Rohre22, quadratischer konischer Rohre 23,24,25, polygonaler konischer Rohre 26,27, axial gewellter konischer Rohre 28,29,30 und konischer Rohre mit elliptischen Querschnitten31. Es gibt jedoch nur wenige Studien zu seitlichen Wellrohren. Typische Dickengradientenstrukturen umfassen Vierkantrohre32, 33, kreisförmige Rohre34, 35, konische Rohre36, mehrzellige Rohre37, 38 und Gitterstrukturen39. Deng et al.40 reduzierten die anfängliche Spitzenkraft von seitlichen Wellrohren mit einem Dickengradientendesign um 44,53 %, aber es gab keine Studien zu seitlichen Wellrohren.

Experimente sind zwar die genaueste und direkteste Methode, um die Crashsicherheit von Bauwerken zu bewerten, erfordern aber auch erhebliche Kosten und Ressourcen. Darüber hinaus sind einige wichtige Daten, wie z. B. die Spannungs-Dehnungs-Wolken der Struktur und die Energiewerte verschiedener Formen, in Experimenten schwer zu erhalten18. Die Finite-Elemente-Analyse ist eine Methode, um die realen Lastbedingungen durch mathematische Näherung zu simulieren. Dies wurde zuerst in der Luft- und Raumfahrt angewendet, hauptsächlich zur Lösung linearer Strukturprobleme. Später wurde es nach und nach zur Lösung nichtlinearer Probleme in vielen Bereichen wie dem Bauingenieurwesen, dem Maschinenbau und der Materialverarbeitung eingesetzt34. Darüber hinaus sind mit der Entwicklung von Finite-Elemente-Software die Simulationsergebnisse immer näher an die der entsprechenden Experimente herangerückt. Daher wird die Simulation mittels Finite-Elemente-Analyse eingesetzt, um die Crashsicherheit der Strukturen zu untersuchen. In dieser Studie wurde eine Finite-Elemente-Analyse des quasi-statischen Druckverhaltens von konischen Wellrohren durchgeführt. Die Energieabsorption von zwei Arten von seitlichen Wellrohren (d.h. dem einfach gewellten konischen Rohr [ST] und dem doppelt gewellten konischen Rohr [DT]) mit variablen Dicken wurde numerisch untersucht. Die Ergebnisse wurden mit denen einer konventionellen konischen Röhre (CT) verglichen. Die Abmessungen der drei Arten von dünnwandigen Rohren sind in Abbildung 1A dargestellt. Die geometrischen Parameter des ST sind in Abbildung 1B dargestellt, und der BMK wird durch Kreuzen zweier STs gebildet. Der Dickengradient wird wie in Abbildung 1C dargestellt entworfen, und die Dickenvariation wird durch Einführung einer Variation definiert: Faktor k. In Abbildung 1C ist th/2 = 0,44 mm, und k ist auf 0, 0,3, 0,6, 0,9, 1,2 und 1,5 eingestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Brechkraft abnimmt und die Effizienz der Brechkraft mit zunehmender k-Zahl zunimmt.

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Protokoll

1. Erstellen der Oberfläche in der CAD-Software

  1. Öffnen Sie die CAD-Software (siehe Materialtabelle), klicken Sie mit der linken Maustaste auf Datei, klicken Sie mit der linken Maustaste auf Neu und wählen Sie Teil.
  2. Klicken Sie in Teil1 mit der rechten Maustaste auf Oben, und wählen Sie Anzeigen aus.
  3. Neue Ebene erstellen: Drücken Sie die Strg-Taste, klicken Sie mit der linken Maustaste, um die oberste Ebene auszuwählen, und ziehen Sie sie nach oben. Geben Sie 30 mm als Versatzabstand ein, und benennen Sie die Ebene in "Unten" um.
  4. Erstellen Sie eine Skizze auf der "Oberen" Ebene.
    1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Oben, und wählen Sie Skizze aus, um Skizze 1 zu erstellen. Wählen Sie Gleichungsgesteuerte Kurve im Spline der Skizze aus.
    2. Wählen Sie Parametrisch unter Gleichungstyp aus. Geben Sie die Parameter gemäß Tabelle 1 ein.
      HINWEIS: In diesem Schritt wird die Skizzenform der oberen Ebene generiert. Wenn Sie beispielsweise einen CT erstellen möchten, geben Sie in Tabelle 1 in diesem Schritt 7,21 x sin(t), 7,21 x cos(t), 0 und 2 x pi ein.
  5. Erstellen Sie eine Skizze auf der Ebene "Unter".
    1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Unten, und wählen Sie Skizze aus, um Skizze 2 zu erstellen. Wählen Sie " Gleichungsgesteuerte Kurve " im Spline.
    2. Wählen Sie Parametrisch unter Gleichungstyp aus. Geben Sie die Parameter gemäß Tabelle 1 ein.
      HINWEIS: In diesem Schritt wird die Skizzenform der unteren Ebene generiert. Wenn Sie z. B. einen CT erstellen möchten, geben Sie in Tabelle 1 in diesem Schritt 12,5 x sin(t), 12,5 x cos(t), 0 und 2 x pi ein.
  6. Generieren Sie die Oberfläche.
    1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Erhobene Fläche. Wählen Sie Skizze 1 und Skizze 2 in Profilen aus, und wählen Sie OK (siehe Zusatzdatei 1).
  7. Wiederholen Sie die obigen Schritte (Schritte 1.1 bis 1.6), um drei Arten von Flächen zu erzeugen (Abbildung 1A), und nennen Sie sie CT, ST und DT, wie in Abbildung 1A dargestellt.
    HINWEIS: In Schritt 1.4.4 und Schritt 1.5.4 werden die Skizzen der oberen bzw. unteren Ebene erstellt, und in Schritt 1.6 werden die Skizzen der oberen und unteren Ebene zu einer Fläche verbunden. Der Unterschied zwischen den drei Ebenen ist in der Skizze von Schritt 1.4.4 und Schritt 1.5.4 zu sehen.

2. Aufbau des Modells in der Finite-Elemente-Software

HINWEIS: Als Beispiel wird hier das quasi-statische Kompressionsmodell von ST mit k = 0,9 beschrieben. Die Finite-Elemente-Modelle der drei Rohrtypen sind exakt gleich. Daher müssen die verschiedenen Arten von Röhrchen in Schritt 2.1.1 importiert werden, und Schritt 2 muss wiederholt werden, um alle Ergebnisse zu erhalten.

  1. Teile: Importieren und erstellen Sie die Teile.
    1. Öffnen Sie die Finite-Elemente-Software (siehe Werkstofftabelle). Importieren Sie das Teil "ST": Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Datei > Importieren Sie > Teil der Reihe nach. Wählen Sie die Datei ST aus und nennen Sie diesen Teil "ST" (siehe Zusatzdatei 2).
    2. Erstellen Sie das Teil "Untere Ebene": Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Teil erstellen. Wählen Sie unter Form die Option Schale aus, nennen Sie diesen Teil "Untere Ebene" und klicken Sie mit der linken Maustaste auf Weiter. Wählen Sie Kreis erstellen: Mittelpunkt und Umfang, und zeichnen Sie einen Kreis mit dem Ursprung als Mittelpunkt und einem Radius von 20 mm. Fügen Sie den Referenzpunkt set4 zum Teil "Untere Ebene" hinzu.
    3. Erstellen Sie das Teil "Top Plane": Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Teil erstellen. Wählen Sie unter Form die Option Schale aus, nennen Sie diesen Teil "Obere Ebene" und klicken Sie mit der linken Maustaste auf Weiter. Wählen Sie Kreis erstellen: Mittelpunkt und Umfang, und zeichnen Sie einen Kreis mit dem Ursprung als Mittelpunkt und einem Radius von 20 mm.Fügen Sie den Referenzpunkt set5 zum Teil "Obere Ebene" hinzu.
  2. Eigentum: Definieren Sie die Materialeigenschaften, und ordnen Sie das Material dem Schnitt zu.
    1. Erstellen Sie die Materialeigenschaften.
      HINWEIS: Die drei Arten von Rohren haben die gleichen Materialeigenschaften.
      1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Material erstellen > Allgemein > Dichte und geben Sie unter "Massendichte" "7.85E-09 (7.85 x 10−9)" ein.
        ANMERKUNG: Die Materialeigenschaften stammen aus zuvor veröffentlichten Berichten41 mit denselben Materialien, und eine Einführung in die Materialien ist im Diskussionsteil enthalten.
      2. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Mechanische > Elastizität > Elastisch und geben Sie unter Elastizitätsmodul und Poissonzahl "185.000" bzw. "0,3" ein.
      3. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Mechanische > Plastizität > Plastisch und geben Sie die Daten aus Abbildung 2 in "Fließspannung" und "Plastische Dehnung" ein.
    2. Weisen Sie den Abschnitt zu.
      1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Abschnitt erstellen, wählen Sie unter "Kategorie" die Option Shell aus und klicken Sie mit der linken Maustaste auf Weiter.
      2. Wählen Sie unter "Schalendicke" die Option Knotenverteilung, klicken Sie mit der linken Maustaste auf Analytisches Feld erstellen, wählen Sie Ausdrucksfeld und geben Sie die Formel "0,44 − 0,9/100 x (Y − 15)" ein.
        HINWEIS: Die Formel wird verwendet, um die Dicke des Rohrs in Höhenrichtung zu ändern und den Dickengradienten zu erreichen. Der Dickenvariationsfaktor k ist wie in Abbildung 1C dargestellt definiert, die die Dickenvariation pro Höheneinheit angibt. Zusätzlich wird die Dicke der Hälfte der Höhe auf einen festen Wert gesetzt (d.h. th/2 = 0,44 mm), so dass sich aus der mittleren Höhe die Dicke der anderen Höhen ableiten lässt:
        0,44 − k/100 × (Y − 15)
        wobei Y die Höhenrichtung in der Software ist.
      3. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Assign Section, wählen Sie ST aus der Benutzeroberfläche, klicken Sie mit der linken Maustaste auf Fertig und klicken Sie mit der linken Maustaste auf OK.
  3. Versammlung: Füge die Teile zu einem Ganzen zusammen.
    1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Instanz erstellen, und wählen Sie ST, Untere Ebene und Obere Ebene aus. Klicken Sie dann mit der linken Maustaste auf OK | Instanz drehen, und wählen Sie Untere Ebene und Obere Ebene aus. Geben Sie nacheinander den Startpunkt (0, 0, 0) und Endpunkt (1, 0, 0) der Rotationsachse ein, und geben Sie unter Drehwinkel den Wert 90 ein. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Instanz verschieben, wählen Sie Obere Ebene und geben Sie nacheinander den Start- (0, 0, 0) und Endpunkt (0, 30, 0) des Verschiebungsvektors ein.
  4. Schritt: Legen Sie einen Analyseschritt an, und legen Sie die Ausgabeelemente der Historie fest.
    1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Schritt erstellen, wählen Sie Dynamisch, Explizit und klicken Sie mit der linken Maustaste auf Weiter. Geben Sie unter Zeitraum den Wert 0,05 ein und klicken Sie mit der linken Maustaste auf OK. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Create History Output und wählen Sie Energie.
    2. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Verlaufsausgabe erstellen. Wählen Sie unter "Domain" Set5 aus, geben Sie unter "Ausgangsvariablen" "RF2, U2" ein und klicken Sie mit der linken Maustaste auf OK.
  5. Wechselwirkung: Legen Sie die Kontakteigenschaften und den Kontakttyp fest, und legen Sie die obere Ebene und die untere Ebene als steife Körper fest.
    1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Interaktionseigenschaft erstellen, und wählen Sie Kontakt aus. Wählen Sie unter "Mechanisch" die Option Tangentiales Verhalten, wählen Sie unter "Reibungsformulierung" die Option "Strafe" und geben Sie unter "Reibungskoeff" "0,2" ein.
    2. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Interaktion erstellen, wählen Sie Allgemeiner Kontakt (Explizit) und wählen Sie unter "Globale Eigenschaftszuweisung" intProp-1 aus.
    3. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Abhängigkeit erstellen, wählen Sie unter "Typ" die Option Steifer Körper und wählen Sie Untere Ebene und Obere Ebene.
  6. Last: Fixieren Sie die untere Ebene und stellen Sie auf der oberen Ebene eine Abwärtsladegeschwindigkeit von 500 mm/s ein.
    1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Randbedingung erstellen, wählen Sie unter "Typen für ausgewählten Schritt" die Option Verschiebung/Drehung, nehmen Sie Set4 auf und geben Sie 0 in alle Richtungen ein.
    2. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Randbedingung erstellen, wählen Sie unter "Typen für ausgewählten Schritt" Velocity/Angular Velocity aus, nehmen Sie set5, geben Sie unter "V2" -500 ein und geben Sie 0 in die andere Richtung ein.
  7. Masche: Vernetzung und Bestimmung der Elementtypen.
    HINWEIS: Schritt 2.7 ist wichtig für die Finite-Elemente-Analyse. Die Struktur greift in eine endliche Anzahl von Elementen ineinander, für jedes Element wird eine geeignete mathematische Näherungslösung angenommen, und dann werden die Gleichgewichtsbedingungen für die gesamte Struktur abgeleitet und gelöst, um die Lösung des Problems zu erhalten.
    1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Seed Part, geben Sie 0,8 unter "Approximate Global Size" ein und geben Sie 0,08 unter "By Absolute Value" ein. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Netzteil, und wählen Sie Ja aus.
    2. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Elementtyp zuweisen, wählen Sie das Teil auf und wählen Sie Fertig. Wählen Sie unter "Elementbibliothek" die Option Explizit und klicken Sie mit der linken Maustaste auf OK.
    3. Wiederholen Sie Schritt 2.7, um die drei Teile CT, ST und DT zu vernetzen. Das Finite-Elemente-Modell des ST ist in Abbildung 3 dargestellt.
  8. Arbeit: Übermitteln Sie die Berechnungen und exportieren Sie die Ergebnisse.
    1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Job erstellen, wählen Sie das zu berechnende Modell aus und klicken Sie mit der linken Maustaste auf Weiter. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf Job Manager, wählen Sie das zu berechnende Modell aus und klicken Sie mit der linken Maustaste auf Senden.
    2. Wählen Sie das fertige Modell für die Berechnung aus und klicken Sie mit der linken Maustaste auf Ergebnisse , um die Visualisierung aufzurufen. Der Verformungsmodus des ST (k = 0,9) wird aus der Visualisierung abgeleitet. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf XY-Datum erstellen. Wählen Sie ODB-Verlaufsausgabe und klicken Sie auf Zeichnen , um die Kraft-Weg-Kurve des ST (k = 0,9) darzustellen.
  9. In Schritt 2 gibt es in Schritt 2.1.1 drei strukturelle Auswahlmöglichkeiten und in Schritt 2.2.2.2 sechs Auswahlmöglichkeiten für den Dickenvariationsfaktor (k), während die anderen Schritte gleich sind. Wiederholen Sie daher die obigen Schritte 18 Mal, um die Verformungsmoden und Kraft-Weg-Kurven für 18 Modelle zu erhalten, wie in Abbildung 4, Abbildung 5, Abbildung 6, Abbildung 7 und Abbildung 8 gezeigt. Darüber hinaus werden die Indikatoren für die Bewertung der Crashsicherheit aus der Kraft-Weg-Kurve durch die Gleichungen 1-4 abgeleitet, wie in Abbildung 9, Abbildung 10, Abbildung 11 und Tabelle 2 gezeigt.
    HINWEIS: Die Einführung der Indikatoren zur Bewertung der Crashsicherheit und der Gleichungen 1-4 ist in den repräsentativen Ergebnissen enthalten.

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Ergebnisse

Zur Bestimmung der Crashsicherheit von Bauwerken werden mehrere häufig verwendete Indikatoren verwendet, darunter die Gesamtenergieabsorption (EA), die spezifische Energieabsorption (SEA), die maximale Druckkraft (PCF), die mittlere Druckkraft (MCF) und die Effizienz der Druckkraft (CFE)42.

Die Gesamtenergieabsorption (EA)43 kann wie folgt ausgedrückt werden:

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Diskussion

Das quasi-statische Druckverhalten von konischen Rohren wurde mittels Finite-Elemente-Analyse untersucht. Es wurden zwei neue Typen von konischen Wellrohren mit variablen Dicken entwickelt und ihre quasi-statische Druckleistung untersucht. Bei quasi-statischen Kompressionssimulationen müssen einige wichtige Schritte und Einstellungen überprüft werden.

Die Materialparameter sind die Grundvoraussetzung für die Finite-Elemente-Berechnung (Schritt 2.2.1 des Protokolls). In dieser Studie wurden die...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Der Erstautor möchte sich bei den Zuschüssen der National Natural Science Foundation of China (Nr. 52078152 und Nr. 12002095), des General Program of Guangzhou Science and Technology Plan (Nr. 202102021113), des Guangzhou Government-University Union Fund (Nr. 202201020532) und des Guangzhou Municipal Science and Technology Project (Zuschuss Nr. 202102020606) bedanken.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
ABAQUSDassault SIMULIAFinite-Elemente-Software
CTBotong 3D-DruckKonisches Rohr für Experimente
SOLIDWORKSDassault SystèmesCAD-Software
UniversalprüfmaschineSUNSUTM5205, 200kN

Referenzen

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