Axial Crushing Analysis of Sandwich Thin-walled Tubes using Experimental and Finite Element Simulation

محورهای موضوعی : فصلنامه شبیه سازی و تحلیل تکنولوژی های نوین در مهندسی مکانیک

سجاد آذرخش ¹ (کارشناس ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز)
عباس رهی ² (استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی)

تاریخ دریافت : 1394/07/05 تاریخ پذیرش : 1394/07/05 تاریخ انتشار : 1392/10/01

کلید واژه: Energy absorbers, Finite Element Simulation, Axial crushing, thin wall structures, Foam,

چکیده مقاله :

Application of impact energy absorption systems in different industries is of special significance. Thin-walled tubes, due to their lightness, high energy absorption capacity, long crushing length and the high ratio of energy absorption to weight, have found ever-increasing application as one of the most effective energy absorption systems. In this research, through carrying out experimental tests and finite element simulation, the crushing mechanism of hollow & solid (filled with polyurethane foam), sandwiched, thin-walled structures under the influence of axial, quasi-static loading has been studied. The tested cylindrical samples are made using extrusion method. These samples are compressed between two rigid plates under quasi-static loading conditions, and then the collapse mechanism, the crushing force fluctuations and absorbed energy are determined. A numerical model is presented based on the finite element analysis to simulate the collapse process, considering the non-linear responses of material behavior, contact surface and large deformation effects. Simulation of tested specimen has been executed by ABAQUS software in 3- dimensional models through explicit method. Comparison of numerical and experimental results showed that the present model provided an appropriate procedure to determine the collapse mechanism, crushing load and the amount of energy absorption. The model is used to evaluate the thickness effects of the tube, material quality, imperfection and density of the foam on the mean crush load, energy absorption capacity, and collapse mechanism of cylindrical shells. Research results showed that the existence of foam increases the amount of energy absorbtion in the structures. Increase of energy absorbtion and also increase of average crushing force, in foams with higher density is more evident.

چکیده انگلیسی:

کاربرد سیستم­های جذب انرژی ضربه در صنایع مختلف از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. لوله­های جدارنازک به­خاطر سبکی، ظرفیت جذب انرژی بالا، طول لهیدگی زیاد و نسبت جذب انرژی به وزن بالا به­عنوان یکی از کارآمدترین سیستم­های جذب انرژی کاربرد روز­افزونی پیداکرده­اند. دراین پژوهش با انجام آزمایش­های تجربی و شبیه سازی اجزاء محدود، شیوه فروریزش سازه­های جدارنازک ساندویچی توخالی و پرشده با فوم پلی­یورتان تحت اثر بارگذاری شبه­استاتیک محوری مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است . در مطالعه­ی آزمایشگاهی نمونه­های استوانه­ای به روش اکستروژن ساخته شده و بین دو صفحه­ی  صلب تحت اثر بارگذاری شبه­استاتیک قرار گرفته و سپس نحوه­ی فروریزش نمونه، تغییرات نیرو و مقدار انرژی لازم تعیین شده اند. مدلی برای شبیه سازی فرآیند فروریزش با استفاده از تحلیل اجزای محدود ارائه و اثر رفتار غیرخطی مواد، تماس و تغییر شکل بزرگ در این شبیه سازی در نظر گرفته شده است. شبیه سازی نمونه­های آزمایش شده در نرم افزار آباکوس به صورت سه­بعدی و به روش صریح اجرا شده است. مقایسه­ی نتایج آزمایشگاهی و شبیه سازی نشان می­دهد که مدل ارائه شده برای تعیین پاسخ فروریزش و تعیین نمودار نیرو- جابه­جایی و میزان انرژی جذب شده مناسب است. با استفاده از مدل عددی، اثر ضخامت لوله، جنس مواد، عیوب هندسی و چگالی فوم بر متوسط نیروی فروریزش، میزان انرژی جذب ‌شده و نحوه­ی فروریزش پوسته‌های استوانه‌ای بررسی شده است. نتایج پژوهش نشان می­دهند که وجود فوم باعث افزایش میزان جذب انرژی در سازه­ها می­شود؛ این افزایش در میزان جذب انرژی و نیروی متوسط لهیدگی در چگالی­های بالاتر فوم، نمایان­تر است.

منابع و مأخذ:

[1] Alexander  J.M., An Approximate Analysis of the Collapse of Thin Cylindrical Shells under Axial Loading, Quart Journal of Mechanical Application Mathematics, Vol. 13, 1960, pp.10-15.

 [2] Yamasaki K,   Han J., Maximization of Crushing Energy Absorption of Cylindrical Shells, Advanced Engineering Software, 2000, pp.425–34.

[3] Aktay L, Toksoy A.K,   Guden M., Quasi-static Axial Crushing of Extruded Polystyrene Foam-Filled Thin-Walled Aluminum Tubes: Experimental and Numerical Analysis, Materials and Design, Vol. 27, 2006, pp.556–565.

[4] Kavi   Halit,   Toksoy   Kaan,   Guden Mustafa., Predicting Energy Absorption in a Foam-Filled Thin-Walled Aluminum Tube Based on Experimentally Determined Strengthing Coefficient, Journal ofMaterial and Design, Vol.27, 2006, PP.263-269.

[5] Gupta  N.K,  Venkatesh., Experimental and Numerical Studies of Impact Axial Compression of Thin-Walled Conical Shells, International Journal Impact Engineering, Vol. 34, 2007, pp.708–720.

 [6] Olabi A.G, Morris E, Hashmi M.S.J. and Gilchrist M.D., Optimized design of nested circular tube energy absorbers under lateral impact loading, International Journal of Mechanical Sciences, No. 50, 2008, pp. 104-116.

[7] X Zhang, H Huh., Energy absorption of longitudinally grooved square tubes under axial compression, Journal of Thin-Walled Structures, 2009.

[8] Jones, N., Dynamic energy absorption and perforation of ductile structures, International Journal of Pressure Vessels and Piping, No. 87, 2010,  pp. 482-492.

 [9] S Hou, Xu Han, G Sun., Multiobjective optimization for tapered circular tubes, Journal of Thin-Walled Structures, 2011.

 [10] Ghamarian A,  Abadi M.T.,   Axial crushing analysis of end-capped circular tubes, Thin-Walled Structure, Vol.49, 2011, pp. 743-752.

[11] Ghamarian A, Zarei H.R, Abadi M.T., Experimental and Numerical Crashworthiness Investigation of Empty and Foam-filled End capped Conical Tubes, Thin-walled Structure, Vol. 49, 2011, pp.1312–1319.

[12] Tarlochan   F and  Ramesh   S., Composite sandwich structures whitnested inserts for energy absorption application, Composite Structures, No. 94, 2012,  pp. 904-9016.

[13] Ghamarian  A,  Zarei  H.R,  Farsi M.A, Ariaeifar N., Experimental and Numerical Crashworthiness Investigation of the empty and foam-filled conical Tube with shallow spherical caps, doi:10.1111/str:12028 strain 49, 2013, pp.199-211.

 [14] Ahmad   Z.,  Thambiratnam   D.P.,  Crushing Response of Foam-Filled Conical Tubes under Quasi-Static Axial Loading, Materials and Design, Vol. 30, 2009, pp. 2393–2403.

 [15] Aljawi   A. A. N.,   Numerical Simulation of Axial Crushing of Circular Tubes, Engineering science, Vol.14, No. 2, 2002, pp. 3-17.