Modelado de elementos finitos para la simulación de la compresión cuasiestática de tubos cónicos corrugados
6 de enero de 2023
Este protocolo describe el estudio del comportamiento de compresión cuasi-estática de tubos cónicos corrugados utilizando simulaciones de elementos finitos. Se investigó la influencia del gradiente de espesor en el rendimiento de compresión. Los resultados muestran que el diseño adecuado del gradiente de espesor puede cambiar el modo de deformación y mejorar significativamente el rendimiento de absorción de energía de los tubos.
Para importar y crear las piezas, abra el software de elementos finitos. Para importar la pieza ST, haga clic con el botón izquierdo en Archivo, seleccione Importar y, a continuación, en Pieza. Seleccione el archivo ST y asigne a esta pieza el nombre ST. A continuación, cree el plano inferior de la pieza.
Haga clic con el botón izquierdo en Crear pieza, vaya a Forma y seleccione Shell. Asigne a esta parte el nombre Plano inferior y haga clic con el botón izquierdo en Continuar. Seleccione esta opción para crear un círculo, un centro y un perímetro, y dibuje un círculo con el origen como centro y un radio de 20 milímetros.
Añada el punto de referencia Set-4 al plano inferior de la pieza. Del mismo modo, cree el Plano Superior y añada el punto de referencia Set-5 al Plano Superior de la pieza. Ahora, haz clic izquierdo en Crear material.
Vaya a General, seleccione Densidad en orden e ingrese 7.85 por 10 elevado a menos nueve en Densidad de masa. Haga clic con el botón izquierdo en Mecánico. Seleccione Elasticidad, seguido de Elástico en orden.
Y bajo el módulo de Young y la relación de Poisson, entrada 185, 000 y 0,3 respectivamente. A continuación, haz clic con el botón izquierdo en Mecánico. Seleccione Plasticidad y haga clic en Plástico.
Introduzca los datos en Límite elástico y deformación plástica. Haga clic con el botón izquierdo en Crear sección. Vaya a Categoría, seleccione Shell y haga clic con el botón izquierdo en Continuar.
En Espesor de vaciado, seleccione Distribución nodal. Haga clic con el botón izquierdo en Crear campo analítico. Seleccione Campo de expresión e introduzca la fórmula.
Haga clic con el botón izquierdo en Asignar sección. Elija ST de la interfaz y haga clic con el botón izquierdo en Listo, seguido de Aceptar. Ahora, para ensamblar las partes en un todo, haga clic con el botón izquierdo en Crear instancia. Seleccione ST, Plano inferior y Plano superior, y haga clic con el botón izquierdo en Aceptar. Haga clic con el botón izquierdo en Rotar instancia, seleccione Plano inferior y Plano superior, introduzca a su vez el punto inicial 000 y el punto final 100 del eje de rotación.
Y en Ángulo de rotación, escriba 90. Haga clic con el botón izquierdo en Crear paso, seleccione Dinámico, Explícito y haga clic con el botón izquierdo en Continuar. En Período de tiempo, escriba 0,05 y haga clic con el botón izquierdo en Aceptar. A continuación, haz clic con el botón izquierdo del ratón en Crear salida de historial y selecciona Energía.
Haga clic con el botón izquierdo en Crear salida de historial, vaya a Dominio y seleccione Set-5. Vaya a Variables de salida. Ingrese RF2 U2 y haga clic con el botón izquierdo en Aceptar. Ahora, defina las propiedades de contacto, el tipo y los planos superior e inferior como cuerpos rígidos.
Haga clic con el botón izquierdo en Crear propiedad de interacción. Seleccione Contacto, vaya a Mecánico y seleccione Comportamiento tangencial. En Formulación de fricción, seleccione Penalización y, en Coeficiente de fricción, escriba 0,2.
Haga clic con el botón izquierdo en Crear interacción. Seleccione Contacto general, explícito y, en Asignación de propiedades global, seleccione indProp-1. Haga clic con el botón izquierdo en Crear restricción.
En Tipo, seleccione Cuerpo rígido y elija Plano inferior y Plano superior. Para arreglar el plano inferior y establecer una velocidad de carga descendente de 500 milímetros por segundo en el plano superior, haga clic con el botón izquierdo en Crear condición de límite. En Tipos de paso seleccionado, seleccione Desplazamiento o Rotación.
Levante el Set-4 e ingrese cero en todas las direcciones. Haga clic con el botón izquierdo en Crear condición de límite. Vaya a Tipos para el paso seleccionado.
Seleccione Velocidad o Velocidad angular. Levante el Set-5, ingrese menos 500 en V2 e ingrese cero en la otra dirección. Haga clic con el botón izquierdo en Parte inicial, introduzca 0,8 en Tamaño global aproximado e introduzca 0,08 en Por valor absoluto.
Haga clic con el botón izquierdo en Parte de malla y seleccione Sí. Haga clic con el botón izquierdo en Asignar tipo de elemento, elija la pieza y seleccione Listo. En Biblioteca de elementos, seleccione Explícito y haga clic con el botón izquierdo en OK.To enviar los cálculos y exportar los resultados, haga clic con el botón izquierdo en Crear trabajo, seleccione el modelo que desea calcular y haga clic con el botón izquierdo en Continuar.
Haga clic con el botón izquierdo en Administrador de trabajos, seleccione el modelo que desea calcular y haga clic con el botón izquierdo en Enviar. Seleccione el modelo completado para el cálculo y haga clic con el botón izquierdo en Resultados para ingresar a la visualización. El modo de deformación del ST se obtiene a partir de la visualización.
Con el aumento del factor de variación de espesor k, el modo de deformación del ST cambió de expansión y contracción transversal a plegamiento axial progresivo. El modo de deformación del tubo CT cambió de plegado progresivo en forma de diamante a plegado progresivo en forma circular. Mientras que el tubo DT siempre mantuvo un modo de expansión y contracción transversal.
La fuerza máxima de aplastamiento disminuyó significativamente y la amplitud de la fluctuación de la fuerza se volvió pequeña. Con valores k más altos, el pandeo se produjo más cerca del extremo de carga, donde el espesor de la sección transversal del pliegue de plástico es menor. Por lo tanto, la fuerza máxima de trituración también disminuyó.
La absorción de energía y la absorción específica de energía aumentaron significativamente. Y la eficiencia de la fuerza de trituración aumentó con el aumento de k. Al mismo tiempo, la absorción de energía de los tubos de paredes delgadas cambió ligeramente con el aumento de los valores k, lo que también aumentó la eficiencia de la fuerza de trituración.
Un experimento de compresión cuasiestática en un TC de acero inoxidable impreso en 3D con valor k cero mostró que las curvas de fuerza-desplazamiento del experimento y la simulación coincidían bien, y los patrones de deformación eran casi idénticos.
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Visión general
Este protocolo describe el estudio del rendimiento de compresión cuasi-estática de tubos cónicos corrugados mediante simulaciones de elementos finitos. Se investigó la influencia del gradiente de espesor en el rendimiento de compresión.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Ingeniería mecánica
- Ciencia de materiales
- Análisis de elementos finitos
Fundamentos
- Los tubos cónicos corrugados se utilizan en varias aplicaciones de ingeniería.
- Entender su rendimiento de compresión es crucial para la optimización del diseño.
- Los gradientes de espesor pueden influir en las propiedades mecánicas.
- Las simulaciones de elementos finitos proporcionan información sobre el comportamiento del material bajo estrés.
Propósito del estudio
- Investigar el rendimiento de compresión de los tubos cónicos corrugados.
- Analizar el efecto de los gradientes de espesor en los modos de deformación.
- Mejorar el rendimiento de absorción de energía mediante modificaciones en el diseño.
Métodos utilizados
- Se realizaron simulaciones de elementos finitos para modelar el comportamiento del tubo.
- Se aplicaron diferentes gradientes de espesor para evaluar las variaciones de rendimiento.
- Se simularon pruebas de compresión para evaluar la absorción de energía.
- Se realizó análisis de datos para interpretar los resultados.
Principales resultados
- Un diseño adecuado del gradiente de espesor puede alterar los modos de deformación.
- Se observaron mejoras significativas en el rendimiento de absorción de energía.
- Los resultados de la simulación se alinearon con las expectativas teóricas.
- Los hallazgos pueden informar futuros diseños de estructuras corrugadas.
Conclusiones
- Los gradientes de espesor juegan un papel crítico en el rendimiento del tubo.
- Las simulaciones de elementos finitos son efectivas para la evaluación del rendimiento.
- Los diseños optimizados pueden conducir a capacidades mejoradas de absorción de energía.
Preguntas frecuentes
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.
