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要約

このプロトコルは、有限要素シミュレーションを使用したコルゲートテーパーチューブの準静的圧縮性能の研究を説明しています。厚さ勾配が圧縮性能に及ぼす影響を調査しました。結果は、適切な厚さ勾配設計により、変形モードを変更し、チューブのエネルギー吸収性能を大幅に改善できることを示しています。

要約

本研究では、テーパー管の準静的圧縮性能を有限要素法シミュレーションを用いて検討した。これまでの研究では、厚さ勾配によって初期ピーク力が減少し、横方向の波形によってエネルギー吸収性能が向上することが示されています。そこで、2種類の横型コルゲートテーパーチューブを太さの異なる2種類を設計し、その変形パターン、荷重変位曲線、エネルギー吸収性能を解析した。その結果、厚さ変動係数(k)が0.9、1.2、1.5の場合、1本のコルゲートテーパーチューブ(ST)の変形モードは横方向の伸縮から軸方向の順方向折り畳みに変化することがわかった。さらに、厚さ勾配設計により、STのエネルギー吸収性能が向上しました。k = 1.5のモデルのエネルギー吸収(EA)と比エネルギー吸収(SEA)は、k = 0のSTモデルと比較して、それぞれ53.6%と52.4%増加しました。ダブルコルゲートテーパーチューブ(DT)のEAとSEAは、コニカルチューブと比較してそれぞれ373%と95.7%増加しました。k値の増加により、チューブのピーク破砕力が大幅に減少し、破砕力効率が増加しました。

概要

軽量自動車にとって衝突安全性は必須の課題であり、耐衝撃性を向上させるためには薄肉構造が広く用いられています。丸いチューブなどの一般的な薄肉構造は、優れたエネルギー吸収能力を持っていますが、通常、破砕プロセス中のピーク力と負荷変動が大きくなります。この問題は、軸方向の波形1,2,3を導入することで解決できます。波形の存在により、チューブは事前に設計された波形パターンに従って塑性変形および折り畳みが可能になり、ピーク力と負荷変動4,5を減らすことができます。しかし、この安定して制御された変形パターンには、エネルギー吸収性能が低下するという欠点があります。軸方向コルゲートチューブのエネルギー吸収を改善するために、研究者は、波長6,7および振幅8の機能的勾配設計の使用、充填フォーム9,10の使用、マルチチャンバーおよびマルチウォール構造11の形成、および結合チューブ12の形成など、多くの方法を試みてきた。

さらに、研究者たちは、円形チューブ13,14,15,16の断面に波形を導入することにより、横方向のコルゲートチューブを設計しました。横方向の波形の存在は、チューブ17,18,19のエネルギー吸収性能を大幅に向上させます。Eyvazian et al.20は、横方向のコルゲートチューブと通常の円形チューブの耐衝撃性を比較し、横方向のコルゲートチューブの方がエネルギー吸収能力が高いことを示しました。この観察の理由の1つは、横方向の波形がチューブの壁を強化し、プラスチックの折り畳みに対してより耐性があることです。また、プラスチック折り畳み部分の波板は平らになり、この平坦化もエネルギーを吸収します。ただし、初期ピーク力が高いことはこのタイプのチューブの欠点であり、この高い初期力は、輸送される乗客の安全性に深刻な影響を与える可能性があります。

機能的に傾斜した構造には、ピーク力を低減するという自然な利点があります。一般的な機能的に等級付けされた薄肉チューブは、通常、幾何学的パラメータ(例えば、直径および肉厚)を変更することによって形成される21。直径が変更される最も一般的な構造は、円形テーパーチューブ22、正方形テーパーチューブ23、24、25、多角形テーパーチューブ26、27、軸方向コルゲートテーパーチューブ28、29、30、および楕円形の断面を有するテーパーチューブを含むテーパーチューブである.しかし、横方向のコルゲートチューブに関する研究はほとんどありません。典型的な厚さ勾配構造には、角管32、33、円形管34、35、テーパー管36、多細胞管37、38、および格子構造39が含まれる。Deng et al.40 は、厚さ勾配設計の横方向の波形チューブの初期ピーク力を44.53%減少させましたが、側面の波形のテーパー付きチューブに関する研究は行われていません。

実験は、構造物の耐衝撃性を評価するための最も正確で直接的な方法ですが、かなりの資金とリソースも必要とします。さらに、構造の応力-ひずみ雲やさまざまな形状のエネルギー値など、いくつかの重要なデータは、実験18で取得するのが困難です。有限要素解析は、数学的近似を用いて実際の荷重条件をシミュレートする手法です。これは、主に線形構造の問題を解決するために、航空宇宙分野で最初に適用されました。その後、土木工学、機械工学、材料加工34など、多くの分野で非線形問題を解決するために徐々に適用されました。また、有限要素法ソフトウェア開発により、シミュレーション結果が対応する実験の結果にますます近づいてきました。そのため、有限要素解析を用いたシミュレーションを用いて、構造物の耐衝撃性を調査します。本研究では、コルゲートテーパーチューブの準静的圧縮性能の有限要素解析を行った。2種類の横型コルゲートテーパーチューブ(シングルコルゲートテーパーチューブ[ST]とダブルコルゲートテーパーチューブ[DT])のエネルギー吸収を数値的に調べました。その結果は、従来のコニカルチューブ(CT)で得られた結果と比較されました。3種類の薄肉チューブの寸法を 図1Aに示します。STの幾何学的パラメータを 図1Bに示し、DTは2つのSTを交差させることによって構築されます。厚さ勾配は 図 1C に示すように設計されており、厚さのばらつきは、係数 k というばらつきを導入することによって定義されます。 図1Cでは、 th / 2 = 0.44 mmで、kは0、0.3、0.6、0.9、1.2、および1.5に設定されています。その結果、kが大きくなるとピーク破砕力が減少し、破砕力効率が増加することがわかりました。

プロトコル

1. CADソフトウェアでサーフェスを作成する

  1. CADソフトウェアを開き(「材料の表」を参照)、「ファイル」を左クリックし、「新規」を左クリックして、「パーツ」を選択します。
  2. Part1 で、Top を右クリックし、Show を選択します。
  3. 新しい平面を作成する: Ctrl キーを押しながら左クリックし、 上 面を選択して上にドラッグします。 [オフセット距離]に 30 mm と入力し、平面の名前を「下」に変更します。
  4. 「上面」の平面上にスケッチを作成します。
    1. 「Top」を右クリックし、「Sketch」を選択して「Sketch 1」を作成します。スケッチのスプラインで方程式駆動曲線を選択します。
    2. [計算式の種類] で [パラメトリック] を選択します。表1に従ってパラメータを入力します。
      注: このステップでは、上面のスケッチ形状が生成されます。たとえば、CTを作成する場合は、この手順の 表1 に7.21 x sin(t)、7.21 x cos(t)、0、および2 x piと入力します。
  5. 「Bottom」平面上にスケッチを作成します。
    1. Bottomを右クリックし、Sketchを選択してSketch 2を作成します。スプラインで方程式駆動曲線を選択します。
    2. [計算式の種類] で [パラメトリック] を選択します。表1に従ってパラメータを入力します。
      注: このステップでは、底面のスケッチ形状が生成されます。たとえば、CT を作成する場合は、この手順の 表 1 に 12.5 x sin(t)、12.5 x cos(t)、0、および 2 x pi を入力します。
  6. サーフェスを生成します。
    1. ロフトサーフェスを左クリックします。[プロファイル]で[スケッチ 1]と[スケッチ 2]を選択し、[OK]を選択します(「補足ファイル 1」を参照)。
  7. 上記の手順(手順1.1〜1.6)を繰り返して、図1Aに示すように、3種類のサーフェス(図1A)を生成し、それらにCT、ST、およびDTという名前を付けます。
    注:ステップ1.4.4とステップ1.5.4では、それぞれ上面と下面のスケッチを作成し、ステップ1.6では、上面と下面のスケッチを接続してサーフェスを形成します。3 つの平面の違いは、ステップ 1.4.4 とステップ 1.5.4 のスケッチにあります。

2. 有限要素ソフトウェアでのモデルの構築

注: ここでは、k = 0.9 の ST の準静的圧縮モデルを例として説明します。3種類のチューブの有限要素モデルはまったく同じです。したがって、ステップ2.1.1のさまざまなタイプのチューブをインポートし、すべての結果を取得するにはステップ2を繰り返す必要があります。

  1. パーツ： パーツをインポートして作成します。
    1. 有限要素ソフトウェアを開きます( 「材料の表」を参照)。パーツ 「ST」をインポートする: 左クリック ファイル > インポート > パーツ を順番にクリックします。 ファイル ST を選択し、このパーツに "ST" という名前を付けます ( 補足ファイル 2 を参照)。
    2. パーツ「Bottom Plane」を作成: 「パーツを作成」を左クリックします。 [形状]で [シェル]を選択し、このパーツに「Bottom Plane」という名前を付けて、[ 続行]を左クリックします。 [円を作成: 中心と周囲長]を選択し、原点を中心とし、半径を 20 mm にして円を描きます。参照点 set4 をパーツ「底面」に追加します。
    3. パーツ「Top Plane」を作成: 「Create Part」を左クリックします。 [形状]で [シェル]を選択し、このパーツに「Top Plane」という名前を付けて、[ 続行]を左クリックします。 [円を作成: 中心と周囲長] を選択し、原点を中心とし半径 20 mm の円を描きます。参照点 set5 をパーツ "上面" に追加します。
  2. 財産： 材料特性を定義し、材料を断面に割り当てます。
    1. 材料特性を作成します。
      注:3種類のチューブは同じ材料特性を持っています。
      1. 「マテリアルを作成」>「一般>密度」を順に左クリックし、「Mass Density」の下に「7.85E-09 (7.85 x 10−9)」と入力します。
        注:材料特性は、同じ材料で以前に公開されたレポート41 から得られ、材料の紹介はディスカッションセクションに含まれています。
      2. Mechanical > Elasticity > Elasticの順に左クリックし、Young's ModulusとPoisson's Ratioの下にそれぞれ「185,000」と「0.3」を入力します。
      3. Mechanical > Plasticity > Plasticを順に左クリックし、図2で取得したデータを「Yield Stress」と「Plastic Strain」に入力します。
    2. セクションを割り当てます。
      1. 「Create Section」を左クリックし、「Category」で「Shell」を選択し、「Continue」を左クリックします。
      2. [シェルの厚さ]で [節点分布]を選択し、[ 解析フィールドの作成]を左クリックし、[ 式フィールド]を選択して、式 「0.44 − 0.9/100 x (Y − 15)」を入力します。
        注:この式は、チューブの厚さを高さ方向に変更し、厚さの勾配を実現するために使用されます。厚さ変動係数kは、単位高さあたりの厚さ変動を示す 図1Cに示すように定義されます。さらに、高さの半分の厚さは固定値 ( つまり、th/2 = 0.44 mm) に設定され、他の高さの厚さは中央の高さから導き出されます。
        0.44 − k/100 × (Y − 15)
        ここで、Y はソフトウェアの高さ方向です。
      3. Assign Sectionを左クリックし、インターフェイスからSTを選択し、[Done]を左クリックし、[OK]を左クリックします。
  3. 集会： パーツを全体に組み立てます。
    1. [Create Instance] を左クリックし、[ST]、[Bottom Plane]、および [Top Plane] を選択します。次に、[OK]を左クリックします|「インスタンスを回転」(Rotate Instance) をクリックし、「底面」(Bottom Plane) と「上面」(Top Plane) を選択します。回転軸の始点(0, 0, 0)と終点(1, 0, 0)を順番に入力し、回転角度に90を入力します。Translate Instanceを左クリックし、Top Planeを選択して、移動ベクトルの始点(0, 0, 0)と終点(0, 30, 0)を順番に入力します。
  4. 歩： 分析ステップを作成し、履歴の出力項目を設定します。
    1. 「Create Step」を左クリックし、「Dynamic」、「Explicit」の順に選択し、「Continue」を左クリックします。[Time Period] に「0.05」と入力し、[OK] を左クリックします。[Create History Output] を左クリックし、[Energy] を選択します。
    2. [Create History Output]を左クリックします。「ドメイン」でSet5を選択し、「出力変数」で「RF2、U2」と入力して、OKを左クリックします。
  5. 相互作用： 接触のプロパティとタイプを設定し、上部平面と下部平面を剛体として設定します。
    1. 「Create Interaction Property」を左クリックし、「Contact」を選択します。[Mechanical]で[Tangential Behavior]を選択し、[Friction formulation]で[Penalty]を選択し、[Friction Coeff]で「0.2」と入力します。
    2. 「インタラクションを作成」を左クリックし、「一般連絡先 (明示的)」を選択し、「グローバル・プロパティー割り当て」で「intProp-1」を選択します。
    3. Create Constraintを左クリックし、[Type]で[Rigid body]を選択し、[Bottom Plane]と[Top Plane]を選択します。
  6. 負荷： 底面を固定し、上面の下向きの負荷速度を500 mm / sに設定します。
    1. Create Boundary Conditionを左クリックし、"Types for Selected Step"でDisplacement/Rotationを選択し、set4を選択して、すべての方向に0を入力します。
    2. 「Create Boundary Condition」を左クリックし、「Types for Selected Step」で「Velocity/Angular Velocity」を選択し、set5を選択し、「V2」の下に-500と入力し、反対方向に0を入力します。
  7. 網目： メッシュを作成し、要素タイプを決定します。
    注: ステップ 2.7 は、有限要素解析で重要です。構造は有限個の要素に噛み合い、各要素に適した数学的近似解が仮定され、次に構造全体の平衡条件が導出され、問題の解が得られます。
    1. Seed Partを左クリックし、「Approximate Global Size」の下に0.8と入力し、「By Absolute Value」の下に0.08と入力します。[Mesh Part] を左クリックし、[Yes] を選択します。
    2. Assign Element Typeを左クリックし、パーツを選択してDoneを選択します。[Element Library]で[Explicit]を選択し、[OK]を左クリックします。
    3. 手順2.7を繰り返して、CT、ST、およびDTの3つの部分をメッシュ化します。STの有限要素モデルを 図3に示します。
  8. 仕事： 計算を送信し、結果をエクスポートします。
    1. [ジョブの作成]を左クリックし、計算するモデルを選択して、[続行]を左クリックします。Job Managerを左クリックし、計算するモデルを選択して、Submitを左クリックします。
    2. 計算のために完成したモデルを選択し、 結果 をクリックして ビジュアライゼーションに入ります。STの変形モード(k = 0.9)は 、Visualizationから求められます。 [XY 日付を作成] を左クリックします。 ODB history outputを選択し、 Plot をクリックしてSTの力-変位曲線(k = 0.9)をプロットします。
  9. ステップ 2 では、ステップ 2.1.1 には 3 つの構造上の選択肢があり、ステップ 2.2.2.2 には厚さ変動係数 (k) の 6 つの選択肢がありますが、他のステップは同じです。したがって、上記の手順を18回繰り返して、 図4、 図5、 図6、 図7、 図8に示すように、18モデルの変形モードと力-変位曲線を取得します。また、耐衝撃性評価指標は、 図9、 図10、 図11 、 表2に示すように、式1〜4による力-変位曲線から求められます。
    注:耐衝撃性評価指標と式1〜4の導入は、代表的な結果にあります。

結果

構造物の耐衝撃性を決定するために、総エネルギー吸収(EA)、比エネルギー吸収(SEA)、ピーク破砕力(PCF)、平均破砕力(MCF)、破砕力効率(CFE)42など、一般的に使用されるいくつかの指標が使用されます。

全エネルギー吸収(EA)43 は、次のように表すことができます。

ディスカッション

テーパー管の準静的圧縮性能を有限要素解析により検討した。2種類の新しいタイプのコルゲートテーパーチューブを厚み可変で設計し、その準静的圧縮性能を検討した。準静的圧縮シミュレーションでは、いくつかの重要な手順と設定を確認する必要があります。

材料パラメータは、有限要素計算(プロトコルのステップ2.2.1)の基本要件です。?...

開示事項

著者は何も開示していません。

謝辞

筆頭著者は、中国国家自然科学基金会(第52078152号、第12002095号)、広州科学技術計画一般プログラム(第202102021113号)、広州政府大学連合基金(第202201020532号)、広州市科学技術プロジェクト(助成金第202102020606号)からの助成金に感謝します。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
ABAQUSDassault SIMULIAFinite element software
CTBotong 3D printingConical tube for experiment
SOLIDWORKSDassault SystemesCAD software
Universal testing machineSUNSUTM5205, 200kN

参考文献

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