بررسی تجربی و عددی تأثیر سوراخ و انحنای لبه بر ویژگی های فروپاشی جاذب های استوانه ای تحت بار محوری ضربه ای

نوع مقاله: مقاله مکانیک

نویسندگان

دانشگاه بوعلی سینا

چکیده

در این پژوهش، ویژگی‌های جذب انرژی لوله‌های استوانه‌ای آلومینیومی که در لبه و میانه‌ی آن‌ها سوراخ و یا انحنا وجود دارد به صورت تجربی و عددی بررسی شده است. لوله‌ها تحت بارگذاری محوری و ضربه‌ای یک جسم صلب 30 کیلویی با سرعت‌های 6 یا 7 متر بر ثانیه قرار گرفتند. در آزمایش‌های تجربی ابتدا نوع آلیاژ و خواص مکانیکی لوله‌های آلومینیومی استخراج شدند، سپس چهار نمونه‌ی آزمایشگاهی به منظور تأیید صحت نتایج شبیه‌سازی تحت بارگذاری ضربه‌ای قرار گرفتند. بررسی‌های عددی با استفاده از نرم‌افزار المان محدود LS-Dyna انجام شد که در مجموع 13 حالت مختلف تحت بررسی قرار گرفت. در بحث و بررسی نتایج مشخص شد که ایجاد سوراخ در لبه و میانه‌ی پوسته‌های استوانه‌ای‌ ضمن ثابت نگه داشتن انرژی جذب شده منجر به کاهش چشمگیر نیروی بیشینه و افزایش کارایی نیروی له‌شدگی در بارگذاری ضربه‌ای می‌شود. در حالت کلی با افزایش تعداد سوراخ‌ها، نیروی بیشینه کمتر و کارایی بیشتر می‌شود. مشاهده شد که در بارگذاری ضربه‌ای ایجاد انحنا در لبه منجر به کاهش نیروی بیشینه، کاهش انرژی جذب شده و افزایش کارایی می‌گردد به گونه‌ای که با افزایش شعاع انحنای لبه نیروی بیشینه و انرژی جذب شده کمتر و کارایی بیشتر می‌شود. در پایان برای هرکدام از دو نوع جاذب سوراخ‌دار و لبه‌ خمیده، نمونه‌‌هایی معرفی شد. این جاذب‌ها می‌توانند جایگزین‌های مناسبی برای جاذب‌های استوانه‌ای معمولی این پژوهش باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental and numerical investigation of hole and edge radius effect on collapse properties of cylindrical absorbers under axial impact loading

نویسندگان [English]

  • Ali Alavi Nia
  • Saber Chahardoli
چکیده [English]

In this paper, the collapse properties of aluminum cylindrical tubes that hole or curvature is created on their edges or their mid is studied in experimental and numerical methods. The tubes were put under axial impact of a rigid mass-block of 30.405 kg by an initial velocity of 6 or 7 m/s. In experimental exams, first the type of aluminum alloy and mechanical properties of tubes were determined, and then four samples in order to validating the numerical results were analyzed under Impact collapse. An explicit FE code, LS-Dyna, was used to implement numerical investigation and a total of 13 specimens were examined. In results and discussion it was found that in impact loading, creating hole and curvature in edge and mid of cylindrical shells while keeping energy, decreases maximum force significantly and increasing crush force efficiency. In general, by increasing the number of holes, the less maximum force and more crush force efficiency. It was observed that in impact loading, establishment of curvature at the edges, reduces the maximum force and absorption energy and raises the crush force efficiency so that by raising edge curvature radius, maximum force and absorption energy decrease but crush force efficiency increase. Finally samples with optimal performance for each type of perforated and curved edge energy absorbers were introduced. These absorbers can be an appropriate alternative for usually types. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Perforated energy absorber
  • LS-Dyna
  • Impact loading
  • Curved edge absorber
 

[1] W. Abramowicz, The effective crushing distance in axially compressed thin-walled metal columns, International Journal of Impact Engineering, Vol. 1, No. 3, pp. 309-317, 1983.

[2] W. Abramowicz, N. Jones, Dynamic axial crushing of circular tubes, International Journal of Impact Engineering, Vol. 2, No. 3, pp. 263-281, 1984.

[3] T. Wierzbicki, W. Abramowicz, On the Crushing Mechanics of Thin-Walled Structures, Journal of Applied Mechanics, Vol. 50, No. 4a, pp. 727-734, 1983.

[4] M. Güden, H. Kavi, Quasi-static axial compression behavior of constraint hexagonal and square-packed empty and aluminum foam-filled aluminum multi-tubes, Thin-Walled Structures, Vol. 44, No. 7, pp. 739-750, 2006.

[5] A. G. Olabi, E. Morris, M. S. J. Hashmi, M. D. Gilchrist, Optimised design of nested circular tube energy absorbers under lateral impact loading, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 50, No. 1, pp. 104-116, 2008.

[6] M. Avalle, G. Chiandussi, Optimisation of a vehicle energy absorbing steel component with experimental validation, International Journal of Impact Engineering, Vol. 34, No. 4, pp. 843-858, 2007.

[7] X. W. Zhang, Q. D. Tian, T. X. Yu, Axial crushing of circular tubes with buckling initiators, Thin-Walled Structures, Vol. 47, No. 6–7, pp. 788-797, 2009.

[8] A. Alavi Nia, J. Haddad Hamedani, Comparative analysis of energy absorption and deformations of thin walled tubes with various section geometries, Thin-Walled Structures, Vol. 48, No. 12, pp. 946-954, 2010.

[9] E. Acar, M. A. Guler, B. Gerçeker, M. E. Cerit, B. Bayram, Multi-objective crashworthiness optimization of tapered thin-walled tubes with axisymmetric indentations, Thin-Walled Structures, Vol. 49, No. 1, pp. 94-105 , 2011.

[10] 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, No. 8, pp. 620-628, 2010.

[11] A. Ghamarian, M. A. Farsi, Experimental and numerical analysis of collapse behavior of combined Thin walled structures under axial loading, Aerospace Research Institute, Vol. 8, pp. 99-109, 2012.

[12] A. Ghamarian, M. Tahaye Abadi, Axial crushing analysis of end-capped circular tube, Thin-Walled Structures, Vol. 49, No. 6, pp. 743-752, 2011.

[13] V. Jandaghi Shahi, J. Marzbanrad, Analytical and experimental studies on quasi-static axial crush behavior of thin-walled tailor-made aluminum tubes, Thin-Walled Structures, Vol. 60, pp. 24-37, 2012.

[14] J. Song, Numerical simulation on windowed tubes subjected to oblique impact loading and a new method for the design of obliquely loaded tubes, International Journal of Impact Engineering, Vol. 54, pp. 192-205, 2013.

[15] G. Sun, F. Xu, G. Li, Q. Li, Crashing analysis and multiobjective optimization for thin-walled structures with functionally graded thickness, International Journal of Impact Engineering, Vol. 64, pp. 62-74, 2014.

[16] S. Sharifi, M. Shakeri, H. E. Fakhari, M. Bodaghi, Experimental investigation of bitubal circular energy absorbers under quasi-static axial load, Thin-Walled Structures, Vol. 89, pp. 42-53 , 2015.

[17] A. Alavi Nia, S. Chahardoli, Optimizing the layout of nested three-tube structures in quasi-static axial collapse, Thin-Walled Structures, Vol. 107, pp. 169-181, 2016.

[18]A. Mahmoodi, M.H. Shojaeefard, H. Saeidi Googarchin, Theoretical development and numerical investigation on energy absorption behavior of tapered multi-cell tubes, Thin-Walled Structures, Vol. 102, pp. 98-110.

[19] A. S. M. I. H. Committee, Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special- Purpose Materials: ASM International, 1990.

[20] C. Reynolds Metals, Aluminium Heat Treating: The Company, 1958.

[21] ASTM. International, ASTM E8/E8M - 09 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials: ASTM, 2009.

[22] N. Jones, Structural Impact: Cambridge University Press, 2011.

[23] J.M. Alexander, An approximate analysis of the collapse of the thin cylindrical shells under axial loading, Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, Vol. 13, pp. 10-15, 1960.