تحلیل تجربی و عددی رفتار فروریزش محوری و مایل لوله‌های دوجدارة مخروطی تحت شرایط مرزی دوسرگیردار

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مربی / باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اراک

2 عضو هیات علمی / دانشکدة مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی

3 مربی / دانشگاه آزاد اسلامی واحد سنندج

4 مربی / باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکز

چکیده

لوله­های جدارنازک به­دلیل ارزانی و وزن اندک طی سالیان متمادی به­عنوان جاذب انرژی وسائل نقلیه همچون قطار، خودرو، کشتی و جز این‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در این مقاله پاسخ انرژی جذب‌شده لوله­های مخروطی دوجداره تحت بارگذاری محوری و مایل بررسی شده است. در مطالعة آزمایشگاهی لوله‌های دوجدارة مخروطی آلومینیمی به‌روش چرخ‌کاری ساخته شده‌اند. لوله‌های دوجداره از هر دو انتها ثابت شده‌ و بین دو صفحة صلب تحت اثر بارگذاری شبه‌استاتیک قرار گرفته‌اند و بار محوری و مایل با اعمال نیرو به انتهای بخش فوقانی نمونه‌ها اعمال می‌شود. سپس نحوة فروریزش نمونه، تغییرات نیرو و مقدار انرژی لازم تعیین می‌شود. مدلی برای شبیه‌سازی فرایند فروریزش با استفاده از تحلیل اجزای محدود ارائه و اثر رفتار غیرخطی مواد، تماس و تغییر شکل بزرگ در این شبیه‌سازی در نظر گرفته شده است. مقایسة نتایج آزمایشگاهی و شبیه‌سازی نشان می‌دهد که مدل ارائه‌شده برای تعیین پاسخ فروریزش و تعیین نمودار نیرو - جابه‌جایی و میزان انرژی جذب‌­شده مناسب است. از مدل صحه‌گذاری­ شده برای بررسی پارامتری چون شرایط تکیه­گاهی و زاویة بارگذاری استفاده شده است. نتایج این مطالعه به‌وضوح مزیت استفاده از لوله‌های مخروطی دوجداره را به‌عنوان جاذب نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical and experimental investigations of axial and oblique crushing of bitubular conical tubes under clamped boundary condition

نویسندگان [English]

  • Sajad Azarakhsh 1
  • Abbas Rahi 2
  • Saman Derikvandi 3
  • Ali Ghamarian 4
چکیده [English]

Thin-walled tubes have been widely used as energy absorbing devices for decades in trains, passenger cars, ships and other high-volume industrial products since they are relatively cheap and weight efficient. This paper investigates the energy absorption responses of bitubular conical tubes under quasi-static axial and oblique loading. In experimental approach, aluminum bitubular conical tubes were made by the process of spinning. The bitubular conical tubes were fixed at both ends. These samples are compressed between two rigid platens under quasi-static loading conditions and axial and oblique load was realized by applying a load at the upper end of specimens and the collapse mechanism, the variations of crushing load and absorbed energy are determined. A numerical model is presented based on finite element analysis to simulate the collapse process considering the non-linear responses due to material behavior, contact and large deformation. The comparison of numerical and experimental results showed that the present model provides an appropriate procedure to determine the collapse mechanism, crushing load and the amount of energy absorption. The validated finite element model was then used for the parametric studies, in order to determine the effect of bitubular conical tube loading parameters i.e. effect of boundary condition and crush angle. The results of this paper highlight the advantages of using bitubular conical tubes as energy absorber.

کلیدواژه‌ها [English]

  • clamped conical tubes
  • axial and oblique crushing
  • energy absorption
  • finite element method

[1] N. Jones, W.Abramowicz, Static and dynamic axial crushing of circular and square tubes, Metal forming and impact mechanics, NewYork: Pergamon Press, pp. 225-247, 1985.

[2] J. M. Alexander,  An approximate analysis of the collapse of thin cylindrical shells under axial loading, The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, Vol. 13, pp. 11–16, 1960.

[3] W. Johnson, S. R. Reid, Metallic energy dissipating systems, Applied Mechanics Reviews, Vol. 31, pp. 277-288, 1978.

[4] G. H. Daneshi, S. J. Hosseinipour, Elastic–plastic theory for initial buckling load of thin-walled grooved tubes under axial compression, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 125, pp.826-832, 2002.

[5] M. M. Abedi,  A. Niknejad, G. H. Liaghat,  M.  ZamaniNejad, Prediction of the Mean folding force during the axial compression in foam-filled grooved tubes by the oretical analysis, Materials and Design, Vol. 37, pp.144-151, 2012.

[6] Y. H. Luo, Z. W. Huang, X. L. Zhang, FEM analysis of external inversion and energy absorbing characteristics of inverted tubes, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 188, pp. 279-282, 2007.

[7] S. Mori, K. I. Manabe, H. Nishimura, K. Hirose, Experimental analysis of the flattening of  the cross-section spring back and the bending moment of clad tubes in uniform bending, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 66, pp. 270-276, 1997.

[8] A. Niknejad, B. Rezaei, Gh. H. Liaghat, Empty circular metal tubes in the splitting process-theoretical and experimental studies, Thin-walled Structures, Vol. 72, pp. 48-60, 2013.

[9] N. K. Gupta, H. Abbas, Axisymmetric axial crushing of thin frusta, Thin-Walled Structures, Vol. 36, pp. 169–79, 2000.

[10] N. K. Gupta, Venkatesh, Experimental and numerical studies of impact axial compression of thin-walled conical shells, International Journal of Impact Engineering, Vol. 34, pp. 708–720, 2007.

[11] L. i. Mirfenderesk, M. Salimi, S. Ziaei-Rad, Parametric study and numerical analysis of empty and foam-filled thin-walled tubes under static and dynamic loadings, International Journal of Mechanical, Vol. 50, pp. 1042–1057, 2008.

[12] G. L. Easwara Prasad, N. K. Gupta, An experimental study of deformation modes of domes and large-angled frusta at different rates of compression, International Journal of Impact Engineering, Vol. 32, pp. 400–15, 2005.

[13] Z. Ahmad, D. P. Thambiratnam, Crushing response of foam-filled conical tubes under quasi-static axial loading, Material and Design, Vol. 30, pp.2393–2403, 2009.

[14] Z. Ahmad, D. P. Thambiratnam, Dynamic computer simulation and energy absorption of foam-filled conical tubes under axial impact loading, Computers and Structures, Vol. 87, pp. 186–197, 2009.

[15] Z. Ahmad, D. P. Thambiratnam, A. C. C. Tan, Dynamic energy absorption characteristics of foam-filled conical tubes under oblique impact loading, International Journal of Impact Engineering, Vol. 37, pp. 475-488, 2010.

[16] M. Shariati, H. R. Allahbakhsh, Numerical and experimental investigations on the buckling of steel semi-spherical shells under various loadings, Thin-Walled Structures, Vol. 48, pp. 620-628, 2010.

[17] A. Ghamarian, H. R. Zarei, Crashworthiness investigation of conical and cylindrical end-capped tubes under quasi static crash loading, International Journal of Crashworthiness, pp. 19-28, 2012.

[18] A. Ghamarian, H. R. Zarei, M. T. Abadi, Experimental and numerical crashworthiness investigation of empty and foam-filled end-capped conical tubes, Thin-Walled Structures, Vol. 9, pp. 1312–1319, 2011.

[19] A. Ghamarian, M. A. Farsi, Experimental and numerical analysis of thin-walled structures combined axial collapse, Journal of Mechanical Aerospace, Vol. 8, pp. 99-109, 2012 (In Persian فارسی).

[20] A. Ghamarian, H. R. Zarei, M. A. Farsi, N. Ariaeifar, Crashworthiness investigation of the empty and foam-filled conical tube with shallow spherical caps, Strain, Vol. 49, pp. 199–211, 2013.

[21] H. R. Zarei, A. Ghamarian, Experimental and numerical crashworthiness investigation of empty and foam-filled thin-walled circular tubes with shallow spherical caps, Experimental Mechanics, Vol. 54, pp.115–126, 2014.

[22] Karlson & Sorensen, ABAQUS User’s Manual Hibbitt, Pawtucket,1999.

[23] S .Azarakhsh, A. Rahi, A. Ghamarian, H. Motamedi, Axial crushing analysis of empty and foam-filled brass bitubular cylinder tubes, Thin-Walled Structures, Vol. 95, pp. 60–72, 2015.