Конечно-элементное моделирование для имитации квазистатического сжатия гофрированных конических труб
6 января 2023 г.
В этом протоколе описывается исследование квазистатических характеристик сжатия гофрированных конических труб с использованием моделирования методом конечных элементов. Исследовано влияние градиента толщины на характеристики сжатия. Результаты показывают, что правильный дизайн градиента толщины может изменить режим деформации и значительно улучшить характеристики поглощения энергии трубами.
Чтобы импортировать и создать детали, откройте программное обеспечение конечных элементов. Импортируйте деталь ST, щелкнув левой кнопкой мыши по Файлу, выбрав Импорт, а затем Деталь. Выберите файл ST и назовите эту деталь ST. Далее создайте деталь Нижняя плоскость.
Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке Создать деталь, перейдите в раздел Форма и выберите Оболочка. Назовите эту деталь Нижняя плоскость и щелкните левой кнопкой мыши по кнопке Продолжить. Выберите создание круга, центра и периметра, а затем нарисуйте круг с началом координат в качестве центра и радиусом 20 миллиметров.
Добавьте точку отсчета Set-4 к нижней плоскости детали. Аналогичным образом создайте верхнюю плоскость и добавьте точку отсчета Set-5 к верхней плоскости детали. Теперь кликните левой кнопкой мыши по Создать материал.
Перейдите в раздел «Общие», выберите «Плотность» по порядку и введите 7,85 умножить на 10 в степень минус девять в поле «Плотность массы». Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «Механический». Выберите «Эластичность», а затем «Эластичность» по порядку.
А при модуле Юнга и коэффициенте Пуассона вход 185, 000 и 0,3 соответственно. Затем щелкните левой кнопкой мыши по Механическим. Выберите «Пластичность» и нажмите «Пластик».
Введите данные в поля Предел текучести и пластическая деформация. Щелкните левой кнопкой мыши по «Создать раздел». Перейдите в «Категория», выберите «Оболочка» и щелкните левой кнопкой мыши «Продолжить».
В разделе Толщина оболочки выберите Узловое распределение. Щелкните левой кнопкой мыши по Создать аналитическое поле. Выберите Поле выражения и введите формулу.
Щелкните левой кнопкой мыши по разделу «Назначить». Выберите ST в интерфейсе и щелкните левой кнопкой мыши по Готово, а затем OK. Теперь, чтобы собрать детали в единое целое, щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «Создать экземпляр». Выберите ST, Нижняя плоскость и Верхняя плоскость, а затем щелкните левой кнопкой мыши по OK. Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке Rotate Instance, выберите Bottom Plane и Top Plane, введите начальную точку 000 и конечную точку 100 оси вращения по очереди.
И в поле Угол поворота введите 90. Щелкните левой кнопкой мыши по «Создать шаг», выберите «Динамический», «Явный» и щелкните левой кнопкой мыши по «Продолжить». В разделе Период времени введите 0.05 и щелкните левой кнопкой мыши по OK. Затем щелкните левой кнопкой мыши по «Создать вывод истории» и выберите «Энергия».
Щелкните левой кнопкой мыши по «Создать вывод истории», перейдите в раздел «Домен» и выберите «Набор-5». Перейдите к разделу Выходные переменные. Введите RF2 U2 и щелкните левой кнопкой мыши по OK. Теперь задайте свойства контакта, тип, а также верхнюю и нижнюю плоскости в качестве жестких тел.
Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «Создать свойство взаимодействия». Выберите Контакт, перейдите в раздел Механические и выберите Тангенциальное поведение. В разделе Формулировка трения выберите Штраф, а в поле Коэффициент трения введите 0,2.
Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «Создать взаимодействие». Выберите Общий контакт, явный и в разделе Глобальное назначение свойств выберите indProp-1. Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «Создать ограничение».
В разделе "Тип" выберите "Жесткое тело" и выберите "Нижняя плоскость" и "Верхняя плоскость". Чтобы зафиксировать нижнюю плоскость и установить нисходящую скорость загрузки 500 миллиметров в секунду на верхней плоскости, щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «Создать граничное условие». В разделе Типы для выбранного шага выберите Смещение или Поворот.
Возьмите Set-4 и введите ноль во всех направлениях. Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «Создать граничное условие». Перейдите в раздел Типы для выбранного шага.
Выберите Скорость или Угловая скорость. Возьмите Set-5, введите минус 500 в V2 и введите ноль в обратном направлении. Щелкните левой кнопкой мыши по Начальной части, введите 0.8 в поле Приблизительный глобальный размер и введите 0.08 в поле По абсолютному значению.
Щелкните левой кнопкой мыши по Mesh Part и выберите Yes. Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «Назначить тип элемента», выберите деталь и выберите «Готово». В разделе «Библиотека элементов» выберите «Явный» и щелкните левой кнопкой мыши OK.To отправить расчеты и экспортировать результаты, щелкните левой кнопкой мыши «Создать задание», выберите модель для расчета и щелкните левой кнопкой мыши «Продолжить».
Щелкните левой кнопкой мыши по Job Manager, выберите модель для расчета и щелкните левой кнопкой мыши по Submit. Выберите готовую модель для расчета и щелкните левой кнопкой мыши по «Результатам», чтобы войти в визуализацию. Из визуализации получается режим деформации СТ.
С увеличением коэффициента изменения толщины k режим деформации СТ изменялся с поперечного расширения и сжатия на осевое прогрессивное складывание. Режим деформации трубки КТ изменялся с ромбовидного прогрессивного складчатого на круглое прогрессивное сворачивание. В то время как трубка DT всегда сохраняла режим поперечного расширения и сжатия.
Пиковая сила дробления значительно снизилась, а амплитуда колебания силы стала меньше. При более высоких значениях k потеря устойчивости происходила ближе к концу нагрузки, где толщина поперечного сечения пластикового склада меньше. Следовательно, пиковая сила дробления также уменьшилась.
Поглощение энергии и удельное поглощение энергии значительно увеличились. А эффективность дробящего усилия увеличивалась с увеличением k. В то же время поглощение энергии тонкостенными трубами незначительно изменялось с увеличением значений k, что также увеличивало эффективность усилия дробления.
Эксперимент по квазистатическому сжатию на напечатанном на 3D-принтере из нержавеющей стали с нулевым значением k показал, что кривые сила-смещение из эксперимента и моделирования хорошо совпадают, а модели деформации почти идентичны.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Этот протокол описывает исследование квазистатических свойств сжатия гофрированных конусных труб с использованием моделей конечных элементов. Было исследовано влияние градиента толщины на свойства сжатия.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Машиностроение
- Наука о материалах
- Анализ конечных элементов
Фон
- Гофрированные конусные трубы используются в различных инженерных приложениях.
- Понимание их свойств сжатия важно для оптимизации дизайна.
- Градиенты толщины могут влиять на механические свойства.
- Модели конечных элементов предоставляют представление о поведении материалов под стрессом.
Цель исследования
- Исследовать свойства сжатия гофрированных конусных труб.
- Анализировать влияние градиентов толщины на режимы деформации.
- Улучшить энергопоглощающие свойства путем модификации дизайна.
Используемые методы
- Модели конечных элементов были проведены для моделирования поведения труб.
- Были применены различные градиенты толщины для оценки изменений в производительности.
- Были моделированы испытания на сжатие для оценки энергопоглощения.
- Анализ данных был проведен для интерпретации результатов.
Основные результаты
- Правильный дизайн градиента толщины может изменить режимы деформации.
- Были замечены значительные улучшения в энергопоглощающих свойствах.
- Результаты симуляции согласовались с теоретическими ожиданиями.
- Результаты могут быть полезны для будущих дизайнов гофрированных структур.
Выводы
- Градиенты толщины играют критическую роль в производительности труб.
- Модели конечных элементов эффективны для оценки производительности.
- Оптимизированные дизайны могут привести к улучшению способностей к поглощению энергии.
Часто задаваемые вопросы
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.
