Modélisation par éléments finis pour la simulation de la compression quasi-statique des tubes coniques ondulés
6 janvier 2023
Ce protocole décrit l’étude des performances de compression quasi-statique des tubes coniques ondulés à l’aide de simulations par éléments finis. L’influence du gradient d’épaisseur sur les performances de compression a été étudiée. Les résultats montrent qu’une conception correcte du gradient d’épaisseur peut modifier le mode de déformation et améliorer considérablement les performances d’absorption d’énergie des tubes.
Pour importer et créer les pièces, ouvrez le logiciel d’éléments finis. Importez la pièce ST en cliquant avec le bouton gauche de la souris sur Fichier, en sélectionnant Importer, puis en sélectionnant Pièce. Sélectionnez le fichier ST et nommez cette pièce ST. Ensuite, créez le plan inférieur de la pièce.
Cliquez avec le bouton gauche de la souris sur Créer une pièce, accédez à Forme et sélectionnez Coque. Nommez cette pièce Plan inférieur et cliquez avec le bouton gauche sur Continuer. Sélectionnez cette option pour créer un cercle, un centre et un périmètre, puis dessinez un cercle dont l’origine est le centre et un rayon de 20 millimètres.
Ajoutez le point de référence Set-4 au plan inférieur de la pièce. De même, créez le plan supérieur et ajoutez le point de référence Set-5 au plan supérieur de la pièce. Maintenant, faites un clic gauche sur Créer du matériel.
Allez dans Général, sélectionnez Densité dans l’ordre et entrez 7,85 fois 10 à la puissance moins neuf sous Densité de masse. Faites un clic gauche sur Mécanique. Sélectionnez Élasticité, puis Élastique dans l’ordre.
Et sous le module de Young et le coefficient de Poisson, entrez respectivement 185, 000 et 0,3. Ensuite, faites un clic gauche sur Mécanique. Sélectionnez Plasticité et cliquez sur Plastique.
Entrez les données dans Limite d’élasticité et Déformation plastique. Faites un clic gauche sur Créer une section. Allez dans Catégorie, sélectionnez Shell, puis cliquez avec le bouton gauche sur Continuer.
Sous Epaisseur de coque, sélectionnez Distribution nodale. Cliquez avec le bouton gauche de la souris sur Créer un champ analytique. Sélectionnez le champ Expression et entrez la formule.
Faites un clic gauche sur Attribuer une section. Choisissez ST dans l’interface et faites un clic gauche sur Terminé, puis sur OK. Maintenant, pour assembler les pièces en un tout, faites un clic gauche sur Créer une instance. Sélectionnez ST, Plan inférieur et Plan supérieur, puis cliquez avec le bouton gauche sur OK. Faites un clic gauche sur Rotation de l’instance, sélectionnez Plan inférieur et Plan supérieur, entrez successivement le point de départ 000 et le point d’arrivée 100 de l’axe de rotation.
Et sous Angle de rotation, entrez 90. Faites un clic gauche sur Créer une étape, sélectionnez Dynamique, Explicite et cliquez avec le bouton gauche sur Continuer. Sous Période, entrez 0,05 et cliquez avec le bouton gauche sur OK. Ensuite, cliquez avec le bouton gauche de la souris sur Créer une sortie d’historique et sélectionnez Énergie.
Faites un clic gauche sur Créer une sortie d’historique, allez dans Domaine, puis sélectionnez Définir-5. Accédez à Variables de sortie. Entrez RF2 U2 et faites un clic gauche sur OK. Maintenant, définissez les propriétés de contact, le type et les plans supérieur et inférieur en tant que corps rigides.
Faites un clic gauche sur Créer une propriété d’interaction. Sélectionnez Contact, accédez à Mécanique, puis sélectionnez Comportement tangentiel. Sous Formulation de friction, sélectionnez Pénalité, puis sous Coefficient de friction, entrez 0,2.
Faites un clic gauche sur Créer une interaction. Sélectionnez Contact général, explicite, puis sous Attribution de propriété globale, sélectionnez indProp-1. Faites un clic gauche sur Créer une contrainte.
Sous Type, sélectionnez Corps rigide, puis sélectionnez Plan inférieur et Plan supérieur. Pour fixer le plan inférieur et définir une vitesse de chargement vers le bas de 500 millimètres par seconde sur le plan supérieur, cliquez avec le bouton gauche de la souris sur Créer une condition aux limites. Sous Types pour l’étape sélectionnée, sélectionnez Déplacement ou Rotation.
Prenez Set-4 et entrez zéro dans toutes les directions. Cliquez avec le bouton gauche de la souris sur Créer une condition aux limites. Allez dans Types de l’étape sélectionnée.
Sélectionnez Vitesse (Velocity) ou Vitesse angulaire (Angular Velocity). Prenez Set-5, entrez moins 500 sous V2 et entrez zéro dans l’autre direction. Cliquez avec le bouton gauche de la souris sur la partie de départ, entrez 0,8 sous Taille globale approximative et entrez 0,08 sous Par valeur absolue.
Faites un clic gauche sur Mesh Part et sélectionnez Oui. Cliquez avec le bouton gauche de la souris sur Attribuer le type d’élément, choisissez la pièce et sélectionnez Terminé. Sous Bibliothèque d’éléments, sélectionnez Explicite et cliquez avec le bouton gauche sur OK.To soumettre les calculs et exporter les résultats, cliquez avec le bouton gauche sur Créer une tâche, sélectionnez le modèle à calculer et cliquez avec le bouton gauche sur Continuer.
Faites un clic gauche sur Gestionnaire de tâches, sélectionnez le modèle à calculer et cliquez avec le bouton gauche sur Soumettre. Sélectionnez le modèle terminé pour le calcul et cliquez avec le bouton gauche de la souris sur Résultats pour accéder à la visualisation. Le mode de déformation du ST est obtenu à partir de la visualisation.
Avec l’augmentation du facteur de variation d’épaisseur k, le mode de déformation du ST est passé d’une expansion et d’une contraction transversales à un plissement axial progressif. Le mode de déformation du tube CT est passé d’un pliage progressif en forme de losange à un pliage progressif de forme circulaire. Alors que le tube DT a toujours maintenu un mode d’expansion et de contraction transversal.
La force d’écrasement maximale a considérablement diminué et l’amplitude de la fluctuation de la force est devenue faible. Avec des valeurs k plus élevées, le flambage s’est produit plus près de l’extrémité de charge où l’épaisseur de la section transversale du pli en plastique est plus petite. Par conséquent, la force de broyage maximale a également diminué.
L’absorption d’énergie et l’absorption d’énergie spécifique ont considérablement augmenté. Et l’efficacité de la force d’écrasement augmentait avec l’augmentation de k. Dans le même temps, l’absorption d’énergie des tubes à paroi mince a légèrement changé avec l’augmentation des valeurs k, ce qui a également augmenté l’efficacité de la force d’écrasement.
Une expérience de compression quasi-statique sur un TC en acier inoxydable imprimé en 3D avec une valeur k de zéro a montré que les courbes force-déplacement de l’expérience et de la simulation correspondaient bien, et que les modèles de déformation étaient presque identiques.
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Aperçu
Ce protocole décrit l'étude des performances de compression quasi-statique des tubes coniques ondulés en utilisant des simulations par éléments finis. L'influence du gradient d'épaisseur sur les performances de compression a été étudiée.
Composants clés de l'étude
Domaine scientifique
- Génie mécanique
- Science des matériaux
- Analyse par éléments finis
Contexte
- Les tubes coniques ondulés sont utilisés dans diverses applications d'ingénierie.
- Comprendre leurs performances de compression est crucial pour l'optimisation de la conception.
- Les gradients d'épaisseur peuvent influencer les propriétés mécaniques.
- Les simulations par éléments finis fournissent des informations sur le comportement des matériaux sous contrainte.
Objectif de l'étude
- Étudier les performances de compression des tubes coniques ondulés.
- Analyser l'effet des gradients d'épaisseur sur les modes de déformation.
- Améliorer les performances d'absorption d'énergie par des modifications de conception.
Méthodes utilisées
- Des simulations par éléments finis ont été menées pour modéliser le comportement des tubes.
- Différents gradients d'épaisseur ont été appliqués pour évaluer les variations de performance.
- Des tests de compression ont été simulés pour évaluer l'absorption d'énergie.
- Une analyse des données a été effectuée pour interpréter les résultats.
Résultats principaux
- Un design de gradient d'épaisseur approprié peut modifier les modes de déformation.
- Des améliorations significatives des performances d'absorption d'énergie ont été observées.
- Les résultats de simulation correspondent aux attentes théoriques.
- Les résultats peuvent éclairer les futures conceptions de structures ondulées.
Conclusions
- Les gradients d'épaisseur jouent un rôle crucial dans les performances des tubes.
- Les simulations par éléments finis sont efficaces pour l'évaluation des performances.
- Les conceptions optimisées peuvent conduire à des capacités d'absorption d'énergie améliorées.
Questions fréquemment posées
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.
