بررسي اثر بهينه سازي ساختاري در قابليت جذب انرژي تيرهاي ساندويچي با هسته مشبك فلزي تحت بارگذاري خمش سه نقطه

Topology Optimization Study in Energy Absorption of Lattice-core Sandwich Beams under Three-point Bending Test

در اين پژوهش تاثير بهينه سازي ساختاري هسته هاي مشبك در تيرهاي ساندويچي به عنوان جاذب انرژي با نرم افزار اباكوس ، مورد مطالعه قرار گرفته است. ارتباط بين نيرو و جابه جايي در مركز تير با استفاده از نتايج آزمايشگاهي بدست آمده است. دو نوع هسته مشبك از جنس فولاد با سه جهت گيري متفاوت در سلولهاي هسته، تحت بارگذاري ضربه اي سرعت پايين به صورت خمش سه نقطه، مورد بررسي قرار گرفته است. هسته تير ساندويچي از صفحات فلزي گسترش يافته ساخته شده كه براي بهينه سازي ساختاري و حذف سلول هاي ناكارآمد از روش ريزسازه هاي ايزوتروپيك جامد با تابع جريمه (SIMP) استفاده شده است. در ادامه با انجام بهينه سازي ساختاري، به بررسي پارامترهاي ضربه پذيري، از جمله جذب انرژي ويژه، بعنوان اهداف آزمايش پرداخته شده است. اين نوع سيستم جاذب انرژي، ميتواند در صنايع هوايي، كشتي سازي، خودروسازي، صنايع ريلي و آسانسورها جهت جذب انرژي ضربه مورد استفاده قرار گيرد. نتايج تحليل آزمايشگاهي و بررسي عددي در بارگذاري خمشي نشان داد، كه به كارگيري روش بهينه سازي ساختاري، مي تواند ظرفيت جذب انرژي را به صورت قابل ملاحظه اي افزايش دهد. نتايج آزمايش هاي خمشي نشان داد كه ظرفيت جذب انرژي ويژه در تير ساندويچي با ساختار بهينه، بين 45 تا 94% افزايش يافته است. همچنين، جهت گيري مناسب هسته مشبك در تير ساندويچي با ساختاري بهينه موجب افزايش جذب انرژي ويژه تا بيش از 90% مي شود. در انتها ساختارهاي هندسي بهينه براي سه درصد مختلف كاهش حجمي، و بهترين نمونه ها از لحاظ معيارهاي در نظر گرفته شده با توجه به اهداف طراحي، معرفي ميشوند.

In this research, an influence of topology optimization in energy absorption of lattice core sandwich beams by using ABAQUS software was an investigation. Relationships between the force and displacement at the midspan of the sandwich beams were obtained from the experiments. Two types of Steel lattice cores with three cell orientation were subjected to the low-velocity impact test under three-point bending. The core of sandwich beams was made from expanded metal sheets and a topology optimization with Solid Isotropic Microstructure with Penalization (SIMP) method was used to remove the redundant expanded metal cell. In the following, by studying the topology optimization to evaluate the impact parameters, including Specific Energy Absorption (SEA), as discussed testing purposes. The energy absorbing system can be used in the aerospace industry, shipbuilding, automotive, railway industry and elevators to absorb impact energy. Experimental and numerical results showed that topology optimization could significantly increase specific absorbed energy. Results of three-point bending crushing tests showed that the SEA of a sandwich beam with optimal core structure increased between 45% and 94% compared to the initial design structure of the core. In addition, appropriate orientation of expanded metal cell in the core of sandwich beam caused to increase the specific energy absorption by more than 90%. Finally, an appropriate optimal geometric structure with three tape of volume fraction and the best examples of criteria considered with respect to the objectives were introduced.