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Articolo metodologico

Modellazione agli elementi finiti per la simulazione della compressione quasi-statica di tubi corrugati conici

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DOI:

10.3791/64708

⸱

6 gennaio 2023

 ,  ,  ,  , 
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 questo articolo

Sommario

Questo protocollo descrive lo studio delle prestazioni di compressione quasi statica di tubi corrugati conici utilizzando simulazioni agli elementi finiti. È stata studiata l'influenza del gradiente di spessore sulle prestazioni di compressione. I risultati mostrano che una corretta progettazione del gradiente di spessore può modificare la modalità di deformazione e migliorare significativamente le prestazioni di assorbimento dell'energia dei tubi.

Abstract

In questo studio, le prestazioni di compressione quasi statica dei tubi conici sono state studiate utilizzando simulazioni agli elementi finiti. Studi precedenti hanno dimostrato che un gradiente di spessore può ridurre la forza di picco iniziale e che l'ondulazione laterale può aumentare le prestazioni di assorbimento dell'energia. Pertanto, sono stati progettati due tipi di tubi corrugati laterali conici con spessori variabili e sono stati analizzati i loro modelli di deformazione, le curve di spostamento del carico e le prestazioni di assorbimento dell'energia. I risultati hanno mostrato che quando il fattore di variazione dello spessore (k) era 0,9, 1,2 e 1,5, la modalità di deformazione del singolo tubo corrugato conico (ST) cambiava dall'espansione e contrazione trasversale al ripiegamento progressivo assiale. Inoltre, il design a gradiente di spessore ha migliorato le prestazioni di assorbimento dell'energia dell'ST. L'assorbimento di energia (EA) e l'assorbimento di energia specifica (SEA) del modello con k = 1,5 sono aumentati rispettivamente del 53,6% e del 52,4% rispetto al modello ST con k = 0. L'EA e il SEA del tubo conico a doppio corrugato (DT) sono aumentati rispettivamente del 373% e del 95,7% rispetto al tubo conico. L'aumento del valore k ha comportato una significativa diminuzione della forza di schiacciamento di picco dei tubi e un aumento dell'efficienza della forza di frantumazione.

Introduzione

La resistenza agli urti è un problema essenziale per le automobili leggere e le strutture a parete sottile sono ampiamente utilizzate per migliorare la resistenza agli urti. Le tipiche strutture a parete sottile, come i tubi tondi, hanno una buona capacità di assorbimento dell'energia, ma di solito hanno grandi forze di picco e fluttuazioni di carico durante il processo di frantumazione. Questo problema può essere risolto introducendo ondulazioni assiali 1,2,3. La presenza di ondulazioni consente al tubo di deformarsi e piegarsi plasticamente secondo uno schema di ondulazione preprogettato, che può ridurre la forza di picco e le fluttuazioni di carico 4,5. Tuttavia, questo modello di deformazione stabile e controllato ha uno svantaggio: le prestazioni di assorbimento dell'energia diminuiscono. Per migliorare l'assorbimento di energia dei tubi corrugati assiali, i ricercatori hanno provato molti metodi, come l'utilizzo di un design a gradiente funzionale nella lunghezza d'onda 6,7 e nell'ampiezza8, l'utilizzo di schiuma di riempimento 9,10, la formazione di strutture multicamera e multiparete11 e la formazione di tubi combinati12.

Inoltre, i ricercatori hanno progettato tubi corrugati laterali introducendo ondulazioni nella sezione trasversale dei tubi circolari 13,14,15,16. L'esistenza di ondulazioni laterali migliora notevolmente le prestazioni di assorbimento dell'energia del tubo 17,18,19. Eyvazian et al.20 hanno confrontato la resistenza agli urti dei tubi corrugati laterali e dei tubi circolari ordinari e hanno dimostrato che i tubi corrugati laterali avevano una migliore capacità di assorbimento dell'energia. Uno dei motivi di questa osservazione è che l'ondulazione laterale rafforza la parete del tubo, il che la rende più resistente alla piegatura della plastica. Inoltre, la parete ondulata della parte pieghevole in plastica si appiattisce e questo appiattimento assorbe anche energia. Tuttavia, l'elevata forza di picco iniziale è uno svantaggio di questo tipo di tubo e questa elevata forza iniziale può compromettere seriamente la sicurezza dei passeggeri trasportati.

Le strutture funzionalmente graduate hanno un vantaggio naturale nel ridurre la forza di picco. I comuni tubi a parete sottile classificati funzionalmente sono solitamente formati modificando i parametri geometrici (ad esempio, il diametro e lo spessore della parete)21. Le strutture più diffuse per le quali il diametro viene modificato sono i tubi conici, inclusi i tubi conici circolari22, i tubi conici quadrati 23,24,25, i tubi conici poligonali 26,27, i tubi conici corrugati assiali 28,29,30 e i tubi conici con sezioni trasversali ellittiche 31. Tuttavia, ci sono pochi studi sui tubi corrugati laterali. Le tipiche strutture a gradiente di spessore includono tubi quadrati32,33, tubi circolari34,35, tubi conici36, tubi multicellulari37,38 e strutture reticolari39. Deng et al.40 hanno ridotto del 44,53% la forza di picco iniziale dei tubi corrugati laterali con un design a gradiente di spessore, ma non ci sono stati studi sui tubi corrugati conici laterali.

Sebbene gli esperimenti siano il metodo più accurato e diretto per valutare la resistenza agli urti delle strutture, richiedono anche denaro e risorse considerevoli. Inoltre, alcuni dati importanti, come le nuvole sforzo-deformazione della struttura e i valori energetici delle diverse forme, sono difficili da ottenere negli esperimenti18. L'analisi agli elementi finiti è un metodo per simulare le condizioni di carico reali utilizzando l'approssimazione matematica. Questo è stato applicato per la prima volta nel campo aerospaziale, principalmente per risolvere problemi strutturali lineari. Successivamente, è stato gradualmente applicato per risolvere problemi non lineari in molti campi, come l'ingegneria civile, l'ingegneria meccanica e la lavorazione dei materiali34. Inoltre, con lo sviluppo di software agli elementi finiti, i risultati della simulazione sono diventati sempre più vicini a quelli degli esperimenti corrispondenti. Pertanto, la simulazione che utilizza l'analisi degli elementi finiti viene utilizzata per studiare la resistenza agli urti delle strutture. In questo studio è stata condotta l'analisi agli elementi finiti delle prestazioni di compressione quasi statica dei tubi corrugati conici. E' stato studiato numericamente l'assorbimento di energia di due tipi di tubi corrugati conici laterali (cioè il tubo singolo corrugato conico [ST] e il tubo doppio corrugato conico [DT]) con spessori variabili. I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti per un tubo conico convenzionale (CT). Le dimensioni dei tre tipi di tubi a parete sottile sono mostrate nella Figura 1A. I parametri geometrici della ST sono mostrati nella Figura 1B e la DT è costruita incrociando due ST. Il gradiente di spessore è progettato come mostrato nella Figura 1C e la variazione di spessore è definita introducendo una variazione: fattore k. Nella Figura 1C, th/2 = 0,44 mm e k è impostato su 0, 0,3, 0,6, 0,9, 1,2 e 1,5. I risultati mostrano che la forza di frantumazione di picco diminuisce e l'efficienza della forza di frantumazione aumenta con l'aumentare di k.

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Protocollo

1. Creazione della superficie nel software CAD

  1. Aprire il software CAD (vedere Tabella dei materiali), fare clic con il pulsante sinistro del mouse su File, fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Nuovo e selezionare Parte.
  2. Nella Parte 1, fai clic con il pulsante destro del mouse su In alto e seleziona Mostra.
  3. Creare un nuovo piano: premere Ctrl e fare clic con il pulsante sinistro del mouse per selezionare il piano superiore e trascinarlo verso l'alto. Immettere 30 mm come distanza di offset e rinominare il piano "Inferiore".
  4. Creare uno schizzo sul piano "Superiore".
    1. Fare clic con il pulsante destro del mouse su In alto e selezionare Schizzo per creare lo schizzo 1. Selezionare Curva guidata da equazione nella spline dello schizzo.
    2. Selezionare Parametrico in Tipo di equazione. Inserire i parametri secondo la Tabella 1.
      NOTA: In questo passaggio viene generata la forma dello schizzo del piano superiore. Ad esempio, se si desidera creare un CT, immettere 7,21 x sin(t), 7,21 x cos(t), 0 e 2 x pi greco nella Tabella 1 in questo passaggio.
  5. Creare uno schizzo sul piano "Inferiore".
    1. Fare clic con il pulsante destro del mouse su In basso e selezionare Schizzo per creare Schizzo 2. Selezionate Curva guidata da equazione (Equation Driven Curve) nella spline.
    2. Selezionare Parametrico in Tipo di equazione. Inserire i parametri secondo la Tabella 1.
      NOTA: In questo passaggio viene generata la forma dello schizzo del piano inferiore. Ad esempio, se si desidera creare un CT, immettere 12,5 x sin(t), 12,5 x cos(t), 0 e 2 x pi greco nella Tabella 1 di questo passaggio.
  6. Generate la superficie.
    1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Superficie loft. Selezionare Schizzo 1 e Schizzo 2 in Profili, quindi selezionare OK (vedere File supplementare 1).
  7. Ripetete i passaggi precedenti (passaggi da 1.1 a 1.6) per generare tre tipi di superfici (Figura 1A) e denominatele CT, ST e DT, come mostrato nella Figura 1A.
    NOTA: i passaggi 1.4.4 e 1.5.4 creano rispettivamente gli schizzi dei piani superiore e inferiore, mentre il passaggio 1.6 collega gli schizzi dei piani superiore e inferiore per formare una superficie. La differenza tra i tre piani si trova nello schizzo del passaggio 1.4.4 e del passaggio 1.5.4.

2. Costruzione del modello nel software agli elementi finiti

NOTA: Il modello di compressione quasi statica di ST con k = 0,9 è descritto qui come esempio. I modelli agli elementi finiti dei tre tipi di tubi sono esattamente gli stessi. Pertanto, i diversi tipi di tubi nel passaggio 2.1.1 devono essere importati e il passaggio 2 deve essere ripetuto per ottenere tutti i risultati.

  1. Parti: Importare e creare le parti.
    1. Aprire il software agli elementi finiti (vedere Tabella dei materiali). Importare la parte "ST": fare clic con il pulsante sinistro del mouse su File > Importa > parte in ordine. Selezionare il file ST e denominare questa parte "ST" (vedere il file supplementare 2).
    2. Creare la parte "Piano inferiore": fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea parte. In Forma, seleziona Shell, denomina questa parte "Piano inferiore" e fai clic con il pulsante sinistro del mouse su Continua. Seleziona Crea cerchio: centro e perimetro e disegna un cerchio con l'origine come centro e un raggio di 20 mm. Aggiungere il punto di riferimento set4 alla parte "Piano inferiore".
    3. Crea la parte "Piano superiore": fai clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea parte. In Forma, seleziona Shell, denomina questa parte "Piano superiore" e fai clic con il pulsante sinistro del mouse su Continua. Selezionare Crea cerchio: centro e perimetro, e disegnare un cerchio con l'origine come centro e un raggio di 20 mm.Aggiungere il punto di riferimento set5 alla parte "Piano superiore".
  2. Proprietà: Definire le proprietà del materiale e assegnare il materiale alla sezione.
    1. Creare le proprietà del materiale.
      NOTA: I tre tipi di tubi hanno le stesse proprietà del materiale.
      1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea materiale > Densità generale > nell'ordine e inserire "7.85E-09 (7.85 x 10−9)" in "Densità di massa".
        NOTA: Le proprietà dei materiali sono ottenute da rapporti precedentemente pubblicati41 con gli stessi materiali e un'introduzione ai materiali è inclusa nella sezione di discussione.
      2. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Elasticità meccanica > > Elastico nell'ordine e, in Modulo di Young e Rapporto di Poisson, inserire rispettivamente "185.000" e "0,3".
      3. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Plasticità meccanica > > plastica nell'ordine e inserire i dati tratti dalla Figura 2 in "Stress di snervamento" e "Deformazione plastica".
    2. Assegna la sezione.
      1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea sezione, in "Categoria", selezionare Shell e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Continua.
      2. In "Spessore guscio" selezionare Distribuzione nodale, fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea campo analitico, selezionare Campo espressione e inserire la formula "0,44 − 0,9/100 x (Y − 15)".
        NOTA: La formula viene utilizzata per modificare lo spessore del tubo nella direzione dell'altezza e ottenere il gradiente di spessore. Il fattore di variazione dello spessore k è definito come mostrato nella Figura 1C, che indica la variazione di spessore per unità di altezza. Inoltre, lo spessore di metà dell'altezza è impostato su un valore fisso (cioè th/2 = 0,44 mm) in modo che lo spessore delle altre altezze possa essere derivato dall'altezza media:
        0,44 − k/100 × (Y − 15)
        dove Y è la direzione dell'altezza nel software.
      3. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Assegna sezione, selezionare ST dall'interfaccia, fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Fine e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su OK.
  3. Assemblea: Assembla le parti in un tutt'uno.
    1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea istanza e selezionare ST, Piano inferiore e Piano superiore. Quindi, fai clic con il pulsante sinistro del mouse su OK | Ruotate l'istanza, quindi selezionate Piano inferiore (Bottom Plane ) e Piano superiore (Top Plane). Immettete a sua volta il punto iniziale (0, 0, 0) e il punto finale (1, 0, 0) dell'asse di rotazione, quindi immettete 90 in Angolo di rotazione. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Trasla istanza, selezionare Piano superiore e inserire il punto iniziale (0, 0, 0) e il punto finale (0, 30, 0) del vettore di traslazione.
  4. Passo: Creare un passo di analisi e impostare gli elementi di output della cronologia.
    1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea passaggio, selezionare Dinamico, Esplicito e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Continua. In Periodo di tempo , inserisci 0,05 e fai clic con il pulsante sinistro del mouse su OK. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea output cronologia e selezionare Energia.
    2. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea output cronologia; in "Dominio" selezionare Set5, in "Variabili di uscita" inserire "RF2, U2" e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su OK.
  5. Interazione: Impostare le proprietà e il tipo di contatto, quindi impostare il piano superiore e il piano inferiore come corpi rigidi.
    1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea proprietà interazione e selezionare Contatto. In "Meccanico" seleziona Comportamento tangenziale, in "Formulazione dell'attrito" seleziona Penalità e in "Coeff di attrito" inserisci "0,2".
    2. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea interazione, selezionare Contatto generale (esplicito) e in "Assegnazione proprietà globale" selezionare intProp-1.
    3. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea vincolo, in "Tipo" selezionare Corpo rigido e selezionare Piano inferiore e Piano superiore.
  6. Carico: Fissare il piano inferiore e impostare una velocità di carico verso il basso di 500 mm/s sul piano superiore.
    1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea condizione al contorno, in "Tipi per il passo selezionato" selezionare Spostamento/Rotazione, prelevare set4 e immettere 0 in tutte le direzioni.
    2. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea condizione al contorno, in "Tipi per il passo selezionato" selezionare Velocità/Velocità angolare, selezionare set5, inserire -500 in "V2" e inserire 0 nell'altra direzione.
  7. Maglia: Creazione di mesh e determinazione dei tipi di elemento.
    NOTA: Il passaggio 2.7 è importante nell'analisi degli elementi finiti. La struttura si ingrana in un numero finito di elementi, si assume un'appropriata soluzione di approssimazione matematica per ogni elemento, e quindi si derivano e si risolvono le condizioni di equilibrio per l'intera struttura per ottenere la soluzione del problema.
    1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Parte seme, inserire 0,8 in "Dimensione globale approssimativa" e immettere 0,08 in "Per valore assoluto". Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Parte mesh e selezionare Sì.
    2. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Assegna tipo di elemento, prelevare la parte e selezionare Fine. In "Libreria elementi" seleziona Esplicito e fai clic con il pulsante sinistro del mouse su OK.
    3. Ripetere il passaggio 2.7 per unire le tre parti CT, ST e DT. Il modello agli elementi finiti della ST è mostrato nella Figura 3.
  8. Lavoro: Invia i calcoli ed esporta i risultati.
    1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea lavoro, selezionare il modello da calcolare e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Continua. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Job Manager, selezionare il modello da calcolare e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Invia.
    2. Selezionare il modello completato per il calcolo e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Risultati per accedere alla visualizzazione. La modalità di deformazione dell'ST (k = 0,9) si ottiene dalla Visualizzazione. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea data XY. Selezionare l'output della cronologia ODB e fare clic su Traccia per tracciare la curva forza-spostamento dell'ST (k = 0,9).
  9. Nel passaggio 2, il passaggio 2.1.1 ha tre scelte strutturali e il passaggio 2.2.2.2 ha sei scelte di fattore di variazione dello spessore (k), mentre gli altri passaggi sono gli stessi. Pertanto, ripetere i passaggi precedenti 18 volte per ottenere le modalità di deformazione e le curve forza-spostamento per 18 modelli, come mostrato in Figura 4, Figura 5, Figura 6, Figura 7, Figura 8. Inoltre, gli indicatori di valutazione della resistenza agli urti sono ottenuti dalla curva forza-spostamento attraverso le equazioni 1-4, come mostrato nelle Figure 9, 10, 11 e Tabella 2.
    NOTA: L'introduzione degli indicatori di valutazione della resistenza agli urti e delle equazioni 1-4 sono nei risultati rappresentativi.

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Risultati

Diversi indicatori di uso comune vengono utilizzati per determinare la resistenza agli urti delle strutture, tra cui l'assorbimento totale di energia (EA), l'assorbimento di energia specifica (SEA), la forza di schiacciamento di picco (PCF), la forza di frantumazione media (MCF) e l'efficienza della forza di frantumazione (CFE)42.

L'assorbimento totale di energia (EA)43 può essere espresso come segue:

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Discussione

Le prestazioni di compressione quasi statica dei tubi conici sono state studiate mediante analisi agli elementi finiti. Sono stati progettati due nuovi tipi di tubi corrugati conici con spessori variabili e sono state studiate le loro prestazioni di compressione quasi statica. Nelle simulazioni di compressione quasi statica, è necessario verificare alcuni passaggi e impostazioni importanti.

I parametri del materiale sono i requisiti di base per il calcolo degli elementi finiti (passaggio 2.2.1...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Il primo autore desidera riconoscere le sovvenzioni della National Natural Science Foundation of China (n. 52078152 e n. 12002095), del programma generale del piano scientifico e tecnologico di Guangzhou (n. 202102021113), del fondo dell'unione governativa-universitaria di Guangzhou (n. 202201020532) e del progetto municipale di scienza e tecnologia di Guangzhou (sovvenzione n. 202102020606).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
ABAQUSDassault SIMULIASoftware agli elementi
CTBotong Stampa 3DTubo conico per esperimento
SOLIDWORKSCADDassault Systèmes
Macchina di prova universaleSUNS UTM5205, 200kN
finiti Software

Riferimenti

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