Modellazione agli elementi finiti per la simulazione della compressione quasi-statica di tubi corrugati conici
6 gennaio 2023
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.
Per importare e creare le parti, aprire il software agli elementi finiti. Importare la parte ST facendo clic con il pulsante sinistro del mouse su File, selezionando Importa, quindi Parte. Selezionare il file ST e denominare questa parte ST. Quindi, create il piano inferiore della parte.
Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea parte, passare a Forma e selezionare Shell. Assegna a questa parte il nome Piano inferiore e fai clic con il pulsante sinistro del mouse su Continua. Selezionare questa opzione per creare un cerchio, un centro e un perimetro, quindi disegnare un cerchio con l'origine come centro e un raggio di 20 millimetri.
Aggiungete il punto di riferimento Set-4 al piano inferiore della parte. Allo stesso modo, create il piano superiore e aggiungete il punto di riferimento Set-5 al piano superiore della parte. Ora, fai clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea materiale.
Vai su Generale, seleziona Densità in ordine e inserisci 7,85 volte 10 alla potenza di meno nove in Densità di massa. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Meccanico. Selezionare Elasticità, seguito da Elastico in ordine.
E sotto il modulo di Young e il rapporto di Poisson, inserire rispettivamente 185, 000 e 0,3. Quindi, fai clic con il pulsante sinistro del mouse su Meccanico. Selezionate Plasticità (Plasticity) e fate clic su Plastica (Plastic).
Inserire i dati in Tensione di snervamento e Deformazione plastica. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea sezione. Vai su Categoria, seleziona Shell e fai clic con il pulsante sinistro del mouse su Continua.
In Spessore guscio, selezionare Distribuzione nodale. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea campo analitico. Seleziona il campo Espressione e inserisci la formula.
Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Assegna sezione. Seleziona ST dall'interfaccia e fai clic con il pulsante sinistro del mouse su Fine, seguito da OK. Ora, per assemblare le parti in un tutt'uno, fate clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea istanza (Create Instance). Selezionare ST, Piano inferiore e Piano superiore e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su OK. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Ruota istanza, selezionare Piano inferiore e Piano superiore, immettere il punto iniziale 000 e il punto finale 100 dell'asse di rotazione.
In Angolo di rotazione, immettere 90. 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. Quindi, fai clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea output cronologia e seleziona Energia.
Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea output cronologia, andare su Dominio e selezionare Set-5. Passare a Variabili di output. Immettere RF2 U2 e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su OK. Ora, imposta le proprietà di contatto, il tipo e i piani superiore e inferiore come corpi rigidi.
Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea proprietà di interazione. Seleziona Contatto, vai su Meccanico e seleziona Comportamento tangenziale. In Formulazione attrito, selezionare Penalità, quindi in Coefficiente di attrito, immettere 0,2.
Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea interazione. Selezionare Contatto generale, esplicito e in Assegnazione proprietà globale, selezionare indProp-1. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea vincolo.
In Tipo (Type), selezionate Corpo rigido (Rigid body) e selezionate Piano inferiore (Bottom Plane) e Piano superiore (Top Plane). Per fissare il piano inferiore e impostare una velocità di caricamento verso il basso di 500 millimetri al secondo sul piano superiore, fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea condizione al contorno. In Tipi per passaggio selezionato, selezionare Spostamento o Rotazione.
Raccogli il Set-4 e inserisci zero in tutte le direzioni. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Crea condizione al contorno. Vai a Tipi per il passaggio selezionato.
Selezionare Velocità o Velocità angolare. Prendi Set-5, inserisci meno 500 sotto V2 e inserisci zero nell'altra direzione. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Parte seme, immettere 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. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Assegna tipo di elemento, prelevare la parte e selezionare Fine. In Libreria elementi, selezionare Esplicito e fare clic con il pulsante sinistro del mouse su OK.To inviare i calcoli ed esportare i risultati, 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. 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 si ottiene dalla visualizzazione.
Con l'aumento del fattore di variazione dello spessore k, la modalità di deformazione dell'ST è cambiata da espansione e contrazione trasversale a ripiegamento assiale progressivo. La modalità di deformazione del tubo CT è cambiata da piegatura progressiva a forma di diamante a piegatura progressiva a forma circolare. Mentre il tubo DT ha sempre mantenuto una modalità di espansione e contrazione trasversale.
La forza di schiacciamento di picco è diminuita in modo significativo e l'ampiezza della fluttuazione della forza è diventata piccola. Con valori k più alti, l'instabilità si è verificata più vicino all'estremità del carico dove lo spessore della sezione trasversale della piega plastica è inferiore. Pertanto, anche la forza di schiacciamento di picco è diminuita.
L'assorbimento di energia e l'assorbimento di energia specifica sono aumentati in modo significativo. E l'efficienza della forza di frantumazione è aumentata con l'aumentare di k. Allo stesso tempo, l'assorbimento di energia dei tubi a parete sottile è leggermente cambiato con l'aumentare dei valori di k, aumentando anche l'efficienza della forza di frantumazione.
Un esperimento di compressione quasi statica su un CT in acciaio inossidabile stampato in 3D con valore k zero ha mostrato che le curve forza-spostamento dell'esperimento e della simulazione corrispondevano bene e che i modelli di deformazione erano quasi identici.
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Panoramica
Questo protocollo descrive lo studio delle prestazioni di compressione quasi statica di tubi conici ondulati utilizzando simulazioni agli elementi finiti. È stata studiata l'influenza del gradiente di spessore sulle prestazioni di compressione.
Componenti principali dello studio
Area della scienza
- Ingegneria meccanica
- Scienza dei materiali
- Analisi agli elementi finiti
Sfondo
- I tubi conici ondulati sono utilizzati in varie applicazioni ingegneristiche.
- Comprendere le loro prestazioni di compressione è cruciale per l'ottimizzazione del design.
- I gradienti di spessore possono influenzare le proprietà meccaniche.
- Le simulazioni agli elementi finiti forniscono informazioni sul comportamento del materiale sotto stress.
Scopo dello studio
- Indagare le prestazioni di compressione dei tubi conici ondulati.
- Analizzare l'effetto dei gradienti di spessore sulle modalità di deformazione.
- Migliorare le prestazioni di assorbimento dell'energia attraverso modifiche al design.
Metodi utilizzati
- Sono state condotte simulazioni agli elementi finiti per modellare il comportamento del tubo.
- Sono stati applicati diversi gradienti di spessore per valutare le variazioni di prestazione.
- Sono stati simulati test di compressione per valutare l'assorbimento dell'energia.
- L'analisi dei dati è stata eseguita per interpretare i risultati.
Risultati principali
- Un corretto design del gradiente di spessore può alterare le modalità di deformazione.
- Sono stati osservati significativi miglioramenti nelle prestazioni di assorbimento dell'energia.
- I risultati delle simulazioni sono allineati con le aspettative teoriche.
- I risultati possono influenzare i design futuri di strutture ondulate.
Conclusioni
- I gradienti di spessore giocano un ruolo critico nelle prestazioni del tubo.
- Le simulazioni agli elementi finiti sono efficaci per la valutazione delle prestazioni.
- I design ottimizzati possono portare a capacità di assorbimento dell'energia migliorate.
Domande frequenti
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.
