تحليل لهيدگي محوري لوله هاي جدارنازك ساندويچي به كمك آزمايش هاي تجربي و شبيه سازي اجزا محدود

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

كاربرد سيستم هاي جذب انرژي ضربه در صنايع مختلف از اهميت ويژه اي برخوردار است. لوله هاي جدارنازك به خاطر سبكي، ظرفيت جذب انرژي بالا، طول لهيدگي زياد و نسبت جذب انرژي به وزن بالا به عنوان يكي از كارآمدترين سيستم-هاي جذب انرژي كاربرد روز افزوني پيداكرده اند. دراين پژوهش با انجام آزمايش-هاي تجربي و شبيه سازي اجزا محدود، شيوه فروريزش سازه هاي جدارنازك ساندويچي توخالي و پرشده با فوم پلي يورتان تحت اثر بارگذاري شبه استاتيك محوري مورد بررسي و مقايسه قرار گرفته است . در مطالعه ي آزمايشگاهي نمونه هاي استوانه اي به روش اكستروژن ساخته شده و بين دو صفحه ي صلب تحت اثر بارگذاري شبه استاتيك قرار گرفته و سپس نحوه ي فروريزش نمونه، تغييرات نيرو و مقدار انرژي لازم تعيين شده اند. مدلي براي شبيه سازي فرآيند فروريزش با استفاده از تحليل اجزاي محدود ارايه و اثر رفتار غيرخطي مواد، تماس و تغيير شكل بزرگ در اين شبيه سازي در نظر گرفته شده است. شبيه سازي نمونه هاي آزمايش شده در نرم افزار آباكوس به صورت سه بعدي و به روش صريح اجرا شده است. مقايسه ي نتايج آزمايشگاهي و شبيه سازي نشان مي دهد كه مدل ارايه شده براي تعيين پاسخ فروريزش و تعيين نمودار نيرو- جابه جايي و ميزان انرژي جذب شده مناسب است. با استفاده از مدل عددي، اثر ضخامت لوله، جنس مواد، عيوب هندسي و چگالي فوم بر متوسط نيروي فروريزش، ميزان انرژي جذب ‌شده و نحوه ي فروريزش پوسته‌هاي استوانه‌اي بررسي شده است. نتايج پژوهش نشان مي دهند كه وجود فوم باعث افزايش ميزان جذب انرژي در سازه ها مي شود؛ اين افزايش در ميزان جذب انرژي و نيروي متوسط لهيدگي در چگالي هاي بالاتر فوم، نمايان تر است.

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.