بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، قابلیت جذب انرژی یک نوع مقطع جدارنازک فلزی پیش فرمدهی شده، به دو روش آزمایشگاهی و عددی بررسی شده است .
برای تولید این نوع مقطع جدارنازک، از مقاطع جدارنازک استوانهای با سطح مقطع دایرهای شکل، به عنوان نمونه اولیه استفاده شده است که طی فرآیند پیشفرمدهی، این نمونههای استوانهای، بین یک صفحه صلب تخت و یک ایندنتور T شکل قرار گرفتند و در اثر اعمال بارگذاری فشاری که در امتداد عرضی بر استوانه اعمال میشد، نمونه های پیش فرمدهی شده با سطح مقطع لالهای شکل، تولید شدند. سپس، این نمونه های لاله ای شکل، به عنوان نمونههای آزمایشگاهی، بین دو صفحه صلب تخت، تحت فرآیند لهیدگی جانبی قرار گرفتند. فرآیند لهیدگی جانبی، در امتداد جانبی و با دو زاویه بارگذاری مختلف، انجام گرفت.
کلیه آزمایشها توسط دستگاه تست یونیورسال، در شرایط شبهاستاتیکی، انجام شده است. در حین انجام هر آزمایش، نمودارهای نیروی جانبی- تغییرمکان و جذب انرژی- تغییرمکان رسم شدهاند و با اندازهگیری ظرفیت جذب انرژی هر نمونه آزمایشی و نیز محاسبه نسبت ظرفیت جذب انرژی به جرم ساختار که جذب انرژی مخصوص نامیده میشود، قابلیت جذب انرژی مخصوص نمونههای مختلف با یکدیگر مقایسه شده است.
برای تکمیل کار، نمونههای لالهای شکل توسط نرم افزار المان محدود آباکوس، مدلسازی و فرآیند لهیدگی جانبی آنها، شبیه سازی عددی شده است. برای تأیید صحت شبیهسازیهای عددی، نتایج دو نمونه آزمایشگاهی با نتایج حاصل از تحلیلهای عددی متناظر، مقایسه و صحت نتایج عددی اثبات شده است. در ضمن، در تحلیل عددی، اثر ضخامت جداره ساختار بر قابلیت جذب انرژی آن بررسی شده است.
مقدمه
یکی از انواع ساختارهایی که در دهههای اخیر به عنوان جاذب انرژی مورد توجه محققان قرار گرفته است، مقاطع جدارنازک است
مقاطع جدار نازک با سطح مقطع دایرهای و مربعی، از رایجترین قطعاتی هستند که به طور معمول، در طراحی و ساخت سازهای متنوع استفاده میشوند. وو1 و کارنی2] 2 و [3، تحل یل تجربی فروپا شی مقاطع جدارنازک دایرهای و بی ضوی را که تو سط ورقهای عرضی قیچی شکل داخلی، تقویت شده بود، طی فرآیند فشردگی جانبی ارا ئه کرد ند.
موریس3 و همکاران [4]، با قرار دادن لو له های جدارنازک دایرهای تو در تو و قرار دادن ساختار حاصل بر روی قا لب های مختلف، میزان نیروی جانبی ش بهاس تاتیکی و انرژی مستهلک شده را در حین تبدیل مقطع دایرهای به مقاطع دیگر، به صورت تجربی و عددی بد ست آوردند. اولابی4 و همکاران [5]، با قرار دادن چ ند لو له با قطر های مختلف درون ی کدیگر و است فاده از میلگردهای صلب در ف ضای بین لولهها، رفتار مجموعه حا صل را طی فرآیند لهیدگی جانبی مطالعه کردند و میزان جذب انرژی هر نمونه را تعیین نمود ند.
نیکنژاد و هم کاران [6]، عملکرد جذب انرژی در مقاطع جدارنازک دایرهای پر شده از فوم پلییورتان را تحت فشار جانبی بین دو صفحه صلب تخت، آزمایش کردند و اثر فوم پلییورتان و خصوصیات هندسی نمونهها را طی این فرآیند، تعیین و بررسی نمودند.
علوی نیا و پارساپور [7]، رفتار مکانیکی لولههای جدارنازک ساده و چند سلولی ساخته شده از آلومینیوم با سطح مقطع مثلثی، مربعی، شش ضلعی و هشت ضلعی را به صورت تجربی تحت بارگذاری محوری شبه استاتیکی بررسی کردند و نتایج را با نتایج حاصل از شبیهسازیهای عددی مقایسه کردند. شن5 و همکاران [8]، لهیدگی جانبی دو لوله جدارنازک دایرهای با قطرهای مختلف که یکی درون دیگری قرار داده شده بود و بین آنها از فوم پر شده بود را بررسی کردند.
نیکنژاد و حیدری ارجلو [60]، یک چیدمان تو در تو از مقاطع جدارنازک فلزی با سطح مقطع خاص را به عنوان یک جاذب انرژی جدید معرفی کردند و با بررسی میزان جذب انرژی و الگوی تغییر شکل این نوع ساختار، چند چیدمان بهینه از این سیستم تو در تو را معرفی کردند.
تحلیل تجربی
در این بخش، رفتار جذب انرژی مقاطع جدارنازک لالهای شکل، طی فرآی ند له یدگی جانبی بین دو صف حه ص لب ت خت، بصورت آزمایشگاهی بررسی شده است. برای ساخت نمونههای لالهای شکل از م قاطع جدار نازک استوا نهای با سطح مقطع دایرهای، به عنوان نمونههای اولیه ا ستفاده شده و سپس، طی فرآیند شکلدهی سرد، سطح مقطع این مقاطع جدارنازک استوانهای، از دایره به لاله ای شکل، تبدیل شده ا ست.
بدین منظور، ابتدا نمونههای ا ستوانهای تو سط اره پروفیلبر، به طول مطلوب بر شکاری شدهاند و سپس این نمونههای ا ستوانهای اولیه بین یک صفحه صلب تخت و یک ایندنتور T شکل که محور آن با محور نمونه ها موازی بود، قرار گرفتند و در اثر اعمال بارگذاری جانبی فشاری، سطح مقطع دایرهای نمونههای اولیه به سطح مقطع لالهای شکل تبدیل شدند. کلیه نمونههای آزمای شگاهی از یک نوع آلیاژ برنج با مدول الاستیک 105 GPa، تنش تسلیم 178 MPa و تنش نهایی 398 MPa ساخته شدهاند.
قطر خارجی نمونههای استوانهای اولیه، 50 میلیمتر و ضخامت جداره آنها 1/25 میلیمتر است. طول تمام نمونههای آزمایشگاهی، یکسان و طی فرآیند برشکاری، برابر با 100 میلیمتر انتخاب شد. تصاویری از این نمونههای لالهای شکل در شکلهای 1 و 2 نشان داده شده است. مطابق این دو شکل، این نمونههای لالهای شکل، با دو زاویه بارگذاری مختلف، تحت بارگذاری جانبی قرار گرفته اند.
به عبارت دیگر، شکلهای 1 و 2، دو نمونه لالهای شکل را قبل از انجام آزمایش و نیز در حین بارگذاری با دو زاویه مختلف، نمایش میدهند. در حین انجام هر آزمایش، بارگذاری جانبی با نرخ ثابت 10 mm/min بر نمونهها اعمال شده است. الگوی تغییرشکل پلاستیک نمونهها طی بارگذاری، توسط یک دوربین دیجیتال ثبت شده است. نمونه نشان داده شده در شکل - BF1 - 1، بصورت افقی و نمونه ن شان داده شده در شکل 2 - BF2 - ، ب صورت عمودی بارگذاری شده است.
شکلهای 3 و 4، به ترتیب، دو نمونه BF1 و BF2 را در حین بروز تغییر شکل پلا ستیک نا شی از فرآیند لهیدگی جانبی ن شان میدهد. در این مقاله، بارگذاری وارد بر ا ین دو ن مونه که هر دو بصورت جا ن بی ل هیده شدهاند، به ترتیب، افقی و عمودی نامگذاری شده است. در ضمن، برای فراهم شدن امکان نتیجهگیری بهتر، یک نمونه لوله استوانهای اولیه با مشخصات ذکر شده، به عنوان نمونه آزمایشگاهی ساده، تست شده ا ست و میزان جذب انرژی این ساختار ساده ا ستوانهای - نمونه - BFS نیز تعیین شده است.
شکل:1 نمونه جدارنازک BF1 - بارگذاری به صورت افقی
شکل:2 نمونه جدارنازک BF2 - بارگذاری بصورت عمودی -
شکل:3 نمونه جدارنازک BF1، طی فرآیند لهیدگی جانبی
شکل:4 نمونه جدارنازک BF2، حین فرآیند لهیدگی جانبی
تحلیل عددی
با توجه به محدودیتهای آزمایشگاهی، اثر ضخامت نمونهها براساس تحلیل عددی بررسی شده است. برای شبیه سازیهای عددی، از نرم افزار المان محدود آباکوس، استفاده شده است. پس از تهیه مدل هندسی نمونهها در این نرم افزار، از المان مکعبی C3DR8 برای المان- بندی نمونهها استفاده شده است. ابتدا، با ریز کردن تدریجی اندازه المانها در تحلیلهای مشابه، اندازه مناسب المانها تعیین شده است.
به عنوان مثال، برای نمونهای با ضخامت 1/25 mm ، حدود 48 هزار المان مکعبی استفاده شده است. چگالی و ضریب پواسون ماده سازنده نمونهها به ترتیب، برابر با 8490 kg/m3 و 0/31 در نرم افزار تعریف شد. مدول الاستیک نمونهها نیز مطابق مقدار گزارش شده در بخش قبل تعریف گردید. نمونههای مدلسازی شده، بین دو صفحه تخت قرار گرفتند. این دو صفحه به عنوان ماده صلب تعریف شدند.
ضریب اصطکاک بین سطح تماس دو صفحه صلب تخت و جداره نمونهها برابر با 0/2 اعمال شد. کلیه تماسها، از جمله تماس بین سطوح مختلف یک نمونه مدلسازی شده، بصورت General contact و از نوع Explicit با ضریب اصطکاک 0/2 تعریف شد. به عنوان شرایط مرزی، صفحه صلب تخت پایینی، ساکن و صفحه صلب تخت بالایی، متحرک با سرعت ثابت mm/s -1/67 تعریف شد. شکلهای 5 و ،6، به ترتیب، نحوه بارگذاری دو نمونه BF1 و BF2 را در نرم افزار آباکوس نشان میدهد.
شکل :5 نمونه BF1 مدلسازی شده در نرم افزار آباکوس
شکل :6 نمونه BF2 مدلسازی شده در نرم افزار آباکوس
قبل از انجام تحلیلهای لازم برای بررسی اثر ضخامت جداره نمونههای لالهای شکل، ابتدا، شبیهسازیهای عددی انجام شده، صحت سنجی شدند. بدین منظور، برای دو نمونه آزمایشگاهی BF1 و BF2، شبیهسازیهای عددی متناظر انجام شد و نتایج این دو جفت تحلیل عددی و تجربی با یکدیگر مقایسه گردید. شکلهای 7 و 8، به ترتیب، منحنیهای نیرو- تغییر مکان دو نمونه BF1 و BF2 را نشان میدهند. در هر یک از این دو شکل، یک منحنی مربوط به تحلیل عددی و منحنی دیگر، حاصل از نتایج آزمایشگاهی است. مطابقت بسیار خوب نمودارهای نیرو- تغییرمکان عددی و تجربی، صحت و دقت شبیه-سازیهای المان محدود انجام شده را نشان میدهد.
شکل:7 منحنی نیرو- تغییر مکان تجربی و عددی نمونه BF1
شکل:8 منحنی نیرو- تغییر مکان تجربی و عددی نمونه BF2
