بخشی از مقاله
چکیده
یکی از انواع ضربهگیرهاي مکانیکی، لولههاي جدار نازك می باشند که در سیستمهاي ایمنی امروزه استفاده زیادي پیدا کردهاند.
در این مقاله لولههایی با سطح مقطع متفاوت در نحوه اتصال لوله داخلی و خارجی مورد بررسی قرار گرفتهاست. در این مدل، مواد ایزوتروپیک مورد استفاده صلب- پلاستیک کامل و مجموع انرژي با ملاحظه خمیدگی و تغییر شکل پوسته در طول فرایند چین خوردگی محاسبه می شود. نحوه اتصال لولهها به صورت گوشه به گوشه لوله - - c2c، گوشه به جان لوله - c2w - ، جان به گوشه لوله - - w2c و جان به جان لوله - w2w - می باشد.
مهمترین کمیت هاي محاسبه شده در این پژوهش، نیروي کمانش اولیه، نیروي متوسط لهیدگی و انرژي جذب شده میباشد. در این مقاله تغییرات ضخامت و طول لوله بر کمیت هاي ذکر شده مورد بررسی قرار گرفته است. تمامی نمونه ها با استفاده از نرم افزار LS-DYNA مدل سازي شده و نتایج آن با نتایج تئوري مقایسه شدهاست. نتایج شبیه سازي نشان میدهد که همخوانی زیادي بین سطح مقطع هندسی و پاسخ لهیدگی در لوله وجود دارد.
مقدمه
رفتار سازههاي فلزي جدار نازك تحت بار فشاري محوري و به عنوان جاذب انرژي سالهاي متمادي مورد بررسی قرار گرفته است. وزن و حجم کم در دسترس بودن و صرفه اقتصادي مزیتهایی است که سبب گشته تحقیقات براي استفاده از این لوله ها و در جهت بهینه کردن ویژگیهاي جذب انرژي همچنان مستمر باشد
انرژي جذب شده فقط به خصوصیات ماده بستگی ندارد بلکه به شکل هندسی و حالت تغییر شکل نیز بستگی دارد. تحقیقات گستردهاي به پیشگامی الکساندر در 1960 بر روي مچالگی پلاستیک روي لوله هاي جدار نازك ساخته شده از مواد شکل پذیر انجام گرفت
گسترش کدهاي آنالیز المان محدود غیر خطی - - FEA مانند LS-DYNA آنالیز پدیده لهیدگی را امکان پذیر میکند
چن1 و ویرزبیکی2 لهیدگی لولههاي چند سلولی و چند حفره اي با سلولهاي مربعی داخلی تحت بارگذاري محوري را مورد مطالعه قرار دادند. آنها با تقسیم سطح مقطع به چند بخش و محاسبه انرژي جذب شده در هر بخش، یک حل تحلیلی براي محاسبه نیروي میانگین لهیدگی در این نوع لولهها ارائه دادند.
مهمترین عوامل تعیین کننده در نوع رفتار تاخوردگی قوطیهاي تحت بارگذاري عبارتند از:
- ابعاد هندسی قوطی - عرض و ضخامت قوطی و نسبت آن ها -
- نوع بارگذاري - بارگذاري شبه استاتیکی و دینامیکی -
- جنس قوطی - تنش تسلیم و سفتی و میزان سخت شوندگی در برابر بارهاي دینامیکی - [7]
در این پژوهش نحوه چین خوردگی و میزان جذب انرژي لولههاي چند سلولی، چند حفره اي تحت بارگذاري محوري شبه استاتیکی با سطح مقطع متفاوت بررسی شده است. همچنین اثر تغییر ضخامت و ارتفاع لولهها بر نیروي لهیدگی بررسی شدهاست. در این پژوهش از نرم افزارLS-DYNA براي مدل سازي سازههاي جدار نازك استفاده شدهاست.
مدل سازي شبه استاتیکی مسئله
مشخصات هندسی:
سازههاي مورد بررسی از دو لوله جدار نازك متداخل تشکیل شدهاند که نحوه اتصال آنها بهم از الگوي متفاوتی پیروي میکنند
ابعادسازه به صورت زیر می باشد :
ضخامت ثابت t=2 mm و طول 400 mm میباشد. ابعاد دیوارههاي داخلی di =40mm و بیرونی do=80 mm می باشد. این مدلها با یک لوله تک حفرهاي با مشخصات mm, d= 80 mm - - t=4 مقایسه شده است.
شکل:1 سطح مقطع هندسی لولههاي چند حفرهاي چند گوشهاي
مشخصات ماده:
مدلهاي مورد مطالعه از آلیاژ آلومینیوم AA6060-T6 میباشد که مشخصات فیزیکی آن در جدول - - 1 ارائه شدهاند.
جدول :1 خصوصیات آلیاژ آلومینیوم AA6060-T6
شکل – 2 رابطه بین تنش– کرنش در مدل piecewise linea
در این شبیه سازي از اثر نرخ کرنش صرف نظر شده است و شکست یا خرابی در این شبیه سازي تعریف نشده است.
شرایط مرزي و آماده سازه مدل سازي:
لوله در پایه پایینی خود ثابت شده است و بارگذاري از سر آزاد آن اعمال میشود
شکل:3 نمودار بار اعمالی بر لوله از سر آزاد آن
همه مدلهاي استفاده شده از Hughes-Liu و shell elements
هستند. آزمایش نشان میدهد که انرژي جذب شده را می توان با سه نقطه انتگرالی - NIP=3 - بدست آورد. زمان انجام آنالیز 400ms می باشد.
در شکل 4 نمونهاي از سازه مدل شده مشاهده میشود. دو صفحه در دو طرف سازه، به عنوان فکهاي ثابت و متحرك مدنظر قرار گرفته که باعث فشردگی سازه می شود. جنس این صفحات بسیار سختتر از قطعه آلومینیومی است و میتوان آنها را صلب در نظر گرفت. با این فرض محاسبات آنها از حل مسئله حذف شده و زمان حل مسئله کوتاهتر می شود. فک پایینی ثابت و فک بالایی با سرعت ثابت 1 m/s به سمت پایین حرکت میکند.
شکل :4 نمونهاي از سازه مدل شده
المان بندي :
در روش اجزا محدود معمولا هرچه تعداد المانها بیشتر باشد جواب مسئله از دقت بیشتري برخوردار است. از طرف دیگر افزایش تعداد المانها به زمان حل بیشتري نیاز دارد.
براي بدست آوردن تعداد المان مورد نیاز باید یک مساله خاص را با تعداد مشهاي متفاوت حل کرد و تاثیر پارامتر حساس را بررسی نمود. بدین منظور در این مقاله اثر تعداد المان بنديهاي مختلف را بر حداکثر مقدار نیروي لهیدگی در لوله تک سلولی بررسی شدهاست، که نتایج آن در جدول ٢ آمدهاست:
جدول :2حساسیت ماکزیمم نیروي لهیدگی به تعداد المانها
انتخاب پله زمانی :
در بخش حل، مسائل در هر بازه زمانی نسبت به بازه زمانی قبلی خود حل می شوند. بنابراین، تعریف این تغییرات زمانی از اهمیت خاصی برخوردار است. در صورت تعریف گام زمانی کوچک دقت مساله افزایش می یابد ولی زمان حل مسئله بسیار زیاد می شود. لذا انتخاب این عامل اهمیت خاصی دارد.
زمان حل کلی مساله400 ms میباشدکه در شکل - 5 - این موضوع نشان داده شدهاست.
شکل :5 نمودار حساسیت نیروي ماکزیمم به تعداد پلههاي زمانی حل مشاهده میشود که براي پله 1000، جوابها تقریبا همگرا شدهاند.
بررسی نتایج شبیه سازي :
در بارگذاري شبه استاتیکی لولههایی که سطح مقطع آنها مربعی میباشد، هنگامی که دو دیواره روبروي یکدیگر در حال تشکیل دادن بخش داخلی تا هستند نیروي لهیدگی کمینه می باشد. پس از آن تا زمان انتهاي تشکیل بخش خارجی تا، نیرو افزایش مییابد. وقتی که شکلگیري تا بعدي آغاز میشود نیرو کاهش مییابد و این نوسان ادامه مییابد.
در مورد لولههاي چند سلولی مقدار این نوسان کاهش مییابد که در نتیجه آن نیروي میانگین لهیدگی افزایش مییابد. در شکل 6 نحوه چین خوردگی در لوله با سطح مقطع c2c - اتصال گوشه به گوشه - در چهار زمان مختلف بارگذاري نشان داده شده است.
شکل : 7 نمودار مقایسه نیرو لهیدگی برحسب جابجایی براي لوله توخالی و لوله c2c
نحوه چین خوردگی و نمودار نیرو- جابجایی لوله هایی با سطح مقطع c2w ، w2cو w2w به مقاله پیوست گردیده است.
در شکل زیر میزان جذب انرژي در چهار حالت مذکور با لوله توخالی مقایسه شده است.
شکل :8 نمودار انرژي جذب شده بر حسب زمان دیواره صلب
تاثیر ضخامت سلول بر نیروي لهیدگی :
نتایج حاصل از تغییر ضخامت سازههاي سلولی بر روي ماکزیمم نیروي لهیدگی و نیروي میانگین لهیدگی در جدول 3 و شکل9 آمده است .
جدول:3 ماکزیمم نیروي لهیدگی در ضخامت هاي مختلف
شکل:6 نحوه چین خوردگی لوله با سطح مقطع c2c
در شکل 7 نموار نیروي لهیدگی بر حسب جابجایی براي لوله c2c با لوله مربعی تو خالی مقایسه شده است.
همانطور که در شکل 9 مشاهده میشود، نتایج حاصل از تغییر ضخامت نشان میدهد که با افزایش ضخامت به میزان دو برابر میزان میانگین نیروي لهیدگی در حدود %200 افزایش می یابد.
