مطالعه تحلیلی و عددی جذب انرژی در ضربه‌گیرهای استوانه‌ای با ضخامت دیواره متغیر

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

10.22044/jsfm.2020.9544.3153

چکیده

در این پژوهش، به بررسی فروریزش جاذب‌های استوانه‌ای جدار نازک که در آن ضخامت دیواره‌ها بر اساس فرمول توزیع توانی غیرخطی مواد مدرج هدفمند تغییر می‌کند، پرداخته شده است. بارگذاری وارد بر جاذب انرژی به صورت محوری و شبه استاتیک است. ابتدا با در نظر گرفتن رفتار تنش-کرنش ماده به صورت الاستیک کامل-پلاستیک برای جنس لوله، مدل تحلیلی فروریزش با استفاده از تئوری الکساندر محاسبه و مقدار انرژی جذب شده و همچنین نیروی متوسط لهیدگی به دست آمده است. سپس به‌منظور بالا بردن دقت نتایج، مدل رفتاری ماده با در نظر گرفتن رفتار کار سختی، بررسی و روابط نیروی متوسط و انرژی جذب شده، مجددا استخراج شده‌اند. در ادامه، به منظور راستی آزمایی نتایج حاصل از رابطه تحلیلی، ، چندین مدل‌ در حالت‌های مختلف تغییرات ضخامت و رفتار پلاستیک در نرم‌افزار آباکوس شبیه‌سازی شده و با نتایج تحلیل مقایسه شده‌اند. نتیجه نهایی این مطالعه، ارائه دو رابطه تحلیلی بین میزان جذب انرژی و نیروی متوسط لهیدگی و ارتباط آنها با سایر ابعاد هندسی جسم مانند طول، قطر، ضخامت دیواره و نحوه تغییرات آن است همچنین تاثیر خواص مکانیکی شامل رفتار پلاستیک و چگونگی رفتار غیرخطی منطقه پلاستیک مربوط به جنس نمونه مورد استفاده در ضربه‌گیرها در روابط اعمال شده‌اند. با ساده‌سازی معادلات استخراج شده، می‌توان به معادلات پایه‌ای در تحقیقات گذشته دست یافت.

کلیدواژه‌ها


[1] Zarei H, Kröger M (2008) Optimum honeycomb filled crash absorber design. Mater Design 29(1): 193-204.

[2] Abramowicz W, Jones N (1984) Dynamic axial crushing of circular tubes. Int J Impact Eng 2(3): 263-281.

[3] Gupta N (1998) Some aspects of axial collapse of cylindrical thin-walled tubes. Thin Wall Struct 32(1-3): 111-126.

[4] Abramowicz W, Jones N (1984) Dynamic axial crushing of square tubes. Int J Impact Eng 2(2): 179-208.

[5] Al Galib D, Limam A (2004) Experimental and numerical investigation of static and dynamic axial crushing of circular aluminum tubes. Thin Wall Struct 42(8): 1103-1137.

[6] Zhang X, Tian Q, Yu T(2009) Axial crushing of circular tubes with buckling initiators. Thin wall struct 47(6-7): 788-797.

[7] Zarei H, Kröger M (2006) Multiobjective crashworthiness optimization of circular aluminum tubes. Thin wall struct 44(3): 301-308.

[8] Alexander J (1960) An approximate analysis of the collapse of thin cylindrical shells under axial loading. Q J Mech Appl Math 13(1): 10-15.

[9] Andrews K, England G, Ghani E (1983) Classification of the axial collapse of cylindrical tubes under quasi-static loading. Int J Mech Sci 25(9-10): 687-696.

[10] Wierzbicki T, Bhat SU, Abramowicz W,  Brodkin D (1992) Alexander revisited—a two folding elements model of progressive crushing of tubes. Int J Solids Struct 29(24): 3269-3288.

[11] Guillow S, Lu G, Grzebieta R (2001) Quasi-static axial compression of thin-walled circular aluminium tubes. Int J Mech Sci 43(9):2103-2123.

[12] Audi RF, Brooks RJ, Cormier JM, Smith DS, Rossi MA (2009) Modular energy absorber with ribbed wall structure, ed: Google Patents.

[13] Ralston DD, Holdren KE, Bastien KR, Gorman D, Kulkarni A (2011) Energy absorber with sidewall stabilizer ribs. ed: Google Patents.

[14] Shahravi S, Rezvani MJ, Jahan A (2019) Multi-response optimization of grooved circular tubes filled with polyurethane foam as energy absorber. Journal of Optimization in Industrial Engineering 12(1): 133-149.

[15] Nia AA, Nejad KF, Badnava H, Farhoudi H (2012) Effects of buckling initiators on mechanical behavior of thin-walled square tubes subjected to oblique loading. Thin wall struct 59: 87-96.

[16] Rezvani MJ, Jahan A (2015) Effect of initiator, design, and material on crashworthiness performance of thin-walled cylindrical tubes: A primary multi-criteria analysis in lightweight design. Thin Wall Struct 96: 169-182.

[17] Mamalis A, Manolakos D, Ioannidis M, Kostazos P, Kastanias S (2003) Numerical modelling of the axial plastic collapse of externally grooved steel thinwalled tubes. Int J Crashworthiness 8(6): 583-590.

[18] Baykasoglu C, Cetin MT (2015) Energy absorption of circular aluminium tubes with functionally graded thickness under axial impact loading. Int J Crashworthiness 20(1): 95-106.

[19] Li G, Xu F, Sun G, Li Q (2015) A comparative study on thin-walled structures with functionally graded thickness (FGT) and tapered tubes withstanding oblique impact loading. Int J Impact Eng 77: 68-83.

[20] Xu F (2015) Enhancing material efficiency of energy absorbers through graded thickness structures. Thin Wall Struct 97: 250-265.

[21] Erdin ME, Baykasoglu C, Cetin MT (2016) Quasi-static axial crushing behavior of thin-walled circular aluminum tubes with functionally graded thickness. Procedia Engineer 149: 559-565.

[22] Pang T, Kang H, Yan X, Sun G, Li Q (2017) Crashworthiness design of functionally graded structures with variable diameters. Int J Crashworthiness 22(2): 148-162.

[23] Yao S, Xing Y, Zhao K (2017) Crashworthiness analysis and multiobjective optimization for circular tubes with functionally graded thickness under multiple loading angles. Adv Mech Eng 9(4): 1687814017696660.

[24] Yin H, Dai J, Wen G, Tian W, Wu Q (2019) Multi-objective optimization design of functionally graded foam-filled graded-thickness tube under lateral impact. Int J Com Meth-sign 16(1):1850088.

[25] Baykasoğlu C, Baykasoğlu A, Tunay Çetin M (2019) A comparative study on crashworthiness of thin-walled tubes with functionally graded thickness under oblique impact loadings. Int J Crashworthiness 24(4): 453-471.

[26] Li C, Wang D (2019) Knowledge-Based Engineering–based method for containership lashing bridge optimization design and structural improvement with functionally graded thickness plates. P I Mech Eng M-J Eng 233(3):760-778.

[27] Gupta N, Abbas H (2000) Mathematical modeling of axial crushing of cylindrical tubes. Thin Wall Struct 38(4): 355-375.

[28] Hosseinipour S, Daneshi G (2003) Energy absorbtion and mean crushing load of thin-walled grooved tubes under axial compression. Thin wall struct 41(1): 31-46.

[29] Rezvani M, Nouri M D (2015) Analytical model for energy absorption and plastic collapse of thin-walled grooved frusta tubes. Mech Adv Mater Struc 22(5): 338-348.

[30] Rezvani M, Nouri MD (2017) Mathematical modelling of energy absorption in thin-walled grooved conical tubes with considering of strain hardening phenomena. Int J Struc Eng 8(4): 308-326.

[31] Chirwa E (1993) Theoretical analysis of tapered thin-walled metal inverbucktube. In J Mech Sci 35(3-4): 325-351.

[32] Rezvani M, Nouri MD (2014) Axial crumpling of aluminum frusta tubes with induced axisymmetric folding patterns. Arab J Sci Eng 39(3): 2179-2190.

[33] Ghamarian A, Zarei H (2012) Crashworthiness investigation of conical and cylindrical end-capped tubes under quasi-static crash loading. Int J Crashworthiness 17(1): 19-28.

[34] Li G, Xu F, Sun G, Li Q (2015) Crashworthiness study on functionally graded thin-walled structures. Int J Crashworthiness 20(3): 280-300.

[35] Rezvani M, Nouri MD, Rahmani H (2012)  Experimental and numerical investigation of grooves shape on the energy absorption of 6061-T6 aluminium tubes under axial compression. Int J Mater Struc Integrity 6(2-4): 151-168.