Modelagem de elementos finitos para a simulação da compressão quase-estática de tubos cônicos corrugados
6 de janeiro de 2023
Este protocolo descreve o estudo do desempenho de compressão quase-estática de tubos corrugados cônicos usando simulações de elementos finitos. A influência do gradiente de espessura no desempenho da compressão foi investigada. Os resultados mostram que o design adequado do gradiente de espessura pode alterar o modo de deformação e melhorar significativamente o desempenho de absorção de energia dos tubos.
Para importar e criar as peças, abra o software de elementos finitos. Importe a parte ST clicando com o botão esquerdo do mouse em Arquivo, selecionando Importar, seguido de Peça. Selecione o arquivo ST e nomeie essa peça como ST. Em seguida, crie o plano inferior da peça.
Clique com o botão esquerdo do mouse em Criar peça, navegue até Forma e selecione Casca. Nomeie esta parte como Plano inferior e clique com o botão esquerdo em Continuar. Selecione para criar círculo, centro e perímetro e desenhe um círculo com a origem como centro e um raio de 20 milímetros.
Adicione o ponto de referência Set-4 ao plano inferior da peça. Da mesma forma, crie o plano superior e adicione o ponto de referência Set-5 ao plano superior da peça. Agora, clique com o botão esquerdo em Criar material.
Vá para Geral, selecione Densidade em ordem e insira 7,85 vezes 10 elevado a menos nove em Densidade de massa. Clique com o botão esquerdo do mouse em Mecânico. Selecione Elasticidade, seguido de Elástico em ordem.
E sob o Módulo de Young e o Coeficiente de Poisson, insira 185.000 e 0,3, respectivamente. Em seguida, clique com o botão esquerdo em Mecânico. Selecione Plasticidade e clique em Plástico.
Insira os dados em Tensão de escoamento e deformação plástica. Clique com o botão esquerdo do mouse em Criar seção. Vá para Categoria, selecione Shell e clique com o botão esquerdo em Continuar.
Em Espessura da casca, selecione Distribuição nodal. Clique com o botão esquerdo do mouse em Criar campo analítico. Selecione Campo de expressão e insira a fórmula.
Clique com o botão esquerdo do mouse em Atribuir seção. Escolha ST na interface e clique com o botão esquerdo em Concluído, seguido de OK. Agora, para montar as peças em um todo, clique com o botão esquerdo do mouse em Criar instância. Selecione ST, Plano inferior e Plano superior e clique com o botão esquerdo do mouse em OK. Clique com o botão esquerdo do mouse em Rotate Instance, selecione Bottom Plane e Top Plane, insira o ponto inicial 000 e o ponto final 100 do eixo de rotação.
E em Ângulo de rotação, insira 90. Clique com o botão esquerdo em Criar etapa, selecione Dinâmico, Explícito e clique com o botão esquerdo em Continuar. Em Período de tempo, insira 0,05 e clique com o botão esquerdo em OK. Em seguida, clique com o botão esquerdo em Criar saída de histórico e selecione Energia.
Clique com o botão esquerdo em Criar saída de histórico, vá para Domínio e selecione Conjunto-5. Navegue até Variáveis de saída. Digite RF2 U2 e clique com o botão esquerdo em OK. Agora, defina as propriedades de contato, o tipo e os planos superior e inferior como corpos rígidos.
Clique com o botão esquerdo do mouse em Criar propriedade de interação. Selecione Contato, vá para Mecânico e selecione Comportamento tangencial. Em Formulação de atrito, selecione Penalidade e, em Coeficiente de atrito, insira 0,2.
Clique com o botão esquerdo do mouse em Criar interação. Selecione Contato geral, explícito e, em Atribuição de propriedade global, selecione indProp-1. Clique com o botão esquerdo em Criar restrição.
Em Tipo, selecione Corpo rígido e selecione Plano inferior e Plano superior. Para corrigir o plano inferior e definir uma velocidade de carregamento descendente de 500 milímetros por segundo no plano superior, clique com o botão esquerdo do mouse em Criar condição de limite. Em Tipos para etapa selecionada, selecione Deslocamento ou Rotação.
Pegue o Set-4 e digite zero em todas as direções. Clique com o botão esquerdo em Criar condição de limite. Vá para Tipos para a etapa selecionada.
Selecione Velocidade ou Velocidade angular. Pegue o Set-5, digite menos 500 em V2 e insira zero na outra direção. Clique com o botão esquerdo do mouse em Seed Part, insira 0,8 em Tamanho global aproximado e insira 0,08 em Por valor absoluto.
Clique com o botão esquerdo do mouse em Peça de malha e selecione Sim. Clique com o botão esquerdo em Atribuir tipo de elemento, selecione a peça e selecione Concluído. Em Biblioteca de elementos, selecione Explícito e clique com o botão esquerdo do mouse em OK.To enviar os cálculos e exportar os resultados, clique com o botão esquerdo em Criar trabalho, selecione o modelo a ser calculado e clique com o botão esquerdo em Continuar.
Clique com o botão esquerdo do mouse em Gerenciador de tarefas, selecione o modelo a ser calculado e clique com o botão esquerdo em Enviar. Selecione o modelo concluído para cálculo e clique com o botão esquerdo do mouse em Resultados para inserir a visualização. O modo de deformação do ST é obtido a partir da visualização.
Com o aumento do fator de variação de espessura k, o modo de deformação do ST mudou de expansão e contração transversal para dobramento axial progressivo. O modo de deformação do tubo CT mudou de dobramento progressivo em forma de diamante para dobramento progressivo em forma circular. Enquanto o tubo DT sempre manteve um modo de expansão e contração transversal.
O pico de força de esmagamento diminuiu significativamente e a amplitude da flutuação da força tornou-se pequena. Com valores k mais altos, a flambagem ocorreu mais perto da extremidade de carregamento, onde a espessura da seção transversal da dobra plástica é menor. Portanto, o pico de força de britagem também diminuiu.
A absorção de energia e a absorção de energia específica aumentaram significativamente. E a eficiência da força de britagem aumentou com o aumento de k. Ao mesmo tempo, a absorção de energia dos tubos de paredes finas mudou ligeiramente com o aumento dos valores de k, o que também aumentou a eficiência da força de britagem.
Um experimento de compressão quase estática em um TC de aço inoxidável impresso em 3D com valor k zero mostrou que as curvas de força-deslocamento do experimento e da simulação combinaram bem, e os padrões de deformação foram quase idênticos.
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Visão Geral
Este protocolo descreve o estudo do desempenho de compressão quasi-estática de tubos cônicos ondulados usando simulações de elementos finitos. A influência do gradiente de espessura no desempenho de compressão foi investigada.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Engenharia Mecânica
- Ciência dos Materiais
- Análise de elementos finitos
Fundo
- Tubos cônicos ondulados são usados em várias aplicações de engenharia.
- Entender seu desempenho de compressão é crucial para otimização do design.
- Gradientes de espessura podem influenciar propriedades mecânicas.
- Simulações de elementos finitos fornecem insights sobre o comportamento do material sob estresse.
Propósito do Estudo
- Investigar o desempenho de compressão de tubos cônicos ondulados.
- Analisar o efeito de gradientes de espessura nos modos de deformação.
- Melhorar o desempenho de absorção de energia através de modificações no design.
Métodos Utilizados
- Simulações de elementos finitos foram conduzidas para modelar o comportamento do tubo.
- Diferentes gradientes de espessura foram aplicados para avaliar variações de desempenho.
- Testes de compressão foram simulados para avaliar a absorção de energia.
- Análise de dados foi realizada para interpretar os resultados.
Principais Resultados
- Design de gradiente de espessura adequado pode alterar os modos de deformação.
- Melhorias significativas no desempenho de absorção de energia foram observadas.
- Resultados da simulação alinhados com expectativas teóricas.
- Descobertas podem informar futuros designs de estruturas onduladas.
Conclusões
- Gradientes de espessura desempenham um papel crítico no desempenho do tubo.
- Simulações de elementos finitos são eficazes para avaliação de desempenho.
- Designs otimizados podem levar a capacidades aprimoradas de absorção de energia.
Perguntas Frequentes
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.
