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요약

이 프로토콜은 유한 요소 시뮬레이션을 사용하여 주름진 테이퍼 튜브의 준정적 압축 성능에 대한 연구를 설명합니다. 압축 성능에 대한 두께 구배의 영향을 조사했습니다. 결과는 적절한 두께 구배 설계가 변형 모드를 변경하고 튜브의 에너지 흡수 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.

초록

이 연구에서는 유한 요소 시뮬레이션을 사용하여 테이퍼 튜브의 준정적 압축 성능을 조사했습니다. 이전 연구에서는 두께 구배가 초기 피크 힘을 감소시킬 수 있고 측면 주름이 에너지 흡수 성능을 높일 수 있음을 보여주었습니다. 따라서 두께가 다양한 두 종류의 측면 골판지 테이퍼 튜브를 설계하고 변형 패턴, 하중 변위 곡선 및 에너지 흡수 성능을 분석했습니다. 그 결과, 두께 변동 계수(k)가 0.9, 1.2, 1.5일 때 단일 골판지 테이퍼 튜브(ST)의 변형 모드가 횡축 팽창 및 수축에서 축 방향 점진적 접힘으로 변경되는 것으로 나타났습니다. 또한 두께 구배 설계로 ST의 에너지 흡수 성능을 향상시켰습니다. k = 1.5인 모델의 에너지 흡수(EA) 및 특정 에너지 흡수(SEA)는 k = 0인 ST 모델에 비해 각각 53.6% 및 52.4% 증가했습니다. 이중 골판지 테이퍼 튜브(DT)의 EA와 SEA는 원뿔형 튜브에 비해 각각 373%와 95.7% 증가했습니다. k 값의 증가는 튜브의 최대 파쇄력의 현저한 감소와 파쇄력 효율의 증가를 초래했습니다.

서문

충돌 내구성은 경량 자동차의 필수 문제이며, 충돌 내구성을 향상시키기 위해 얇은 벽 구조가 널리 사용됩니다. 원형 튜브와 같은 일반적인 얇은 벽 구조는 에너지 흡수 용량이 우수하지만 일반적으로 파쇄 과정에서 피크 힘과 하중 변동이 큽니다. 이 문제는 축 방향 주름 1,2,3을 도입하여 해결할 수 있습니다. 주름이 있으면 튜브가 미리 설계된 주름 패턴에 따라 소성 변형 및 접을 수 있으며, 이는 피크 힘과 하중 변동을 줄일 수 있습니다 4,5. 그러나 이러한 안정적이고 제어된 변형 패턴에는 에너지 흡수 성능이 저하된다는 단점이 있습니다. 축 방향 주름진 튜브의 에너지 흡수를 개선하기 위해 연구자들은 파장 6,7 및 진폭8의 기능적 구배 설계를 사용하고, 충전 폼 9,10을 사용하고, 다중 챔버 및 다중 벽 구조11를 형성하고, 결합 튜브12를 형성하는 것과 같은 많은 방법을 시도했습니다.

또한 연구자들은 원형 튜브 13,14,15,16의 단면에 주름을 도입하여 측면 주름 튜브를 설계했습니다. 측면 주름의 존재는 튜브 17,18,19의 에너지 흡수 성능을 크게 향상시킵니다. Eyvazian 등[20]은 측면 주름 튜브와 일반 원형 튜브의 충돌 내구성을 비교하고 측면 주름 튜브가 더 나은 에너지 흡수 용량을 갖는다는 것을 보여주었습니다. 이러한 관찰의 한 가지 이유는 측면 주름이 튜브 벽을 강화하여 플라스틱 접힘에 더 잘 견디기 때문입니다. 또한 플라스틱 접는 부분의 골판지 벽이 평평해지고 이 평탄화도 에너지를 흡수합니다. 그러나 높은 초기 피크 힘은 이러한 유형의 튜브의 단점이며, 이 높은 초기 힘은 운송되는 승객의 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

기능적으로 등급이 매겨진 구조는 피크 힘을 줄이는 데 자연스러운 이점이 있습니다. 일반적인 기능적으로 등급이 매겨진 얇은 벽 튜브는 일반적으로 기하학적 매개 변수 (예 : 직경 및 벽 두께)를 변경하여 형성됩니다 (21). 직경이 변경되는 가장 일반적인 구조는 원형 테이퍼 튜브(22), 정사각형 테이퍼 튜브(23,24,25), 다각형 테이퍼 튜브(26,27), 축 방향 주름진 테이퍼 튜브(28,29,30) 및 타원형 단면(31)을 갖는 테이퍼 튜브를 포함하는 테이퍼 튜브입니다 . 그러나 측면 주름관에 대한 연구는 거의 없습니다. 전형적인 두께 구배 구조에는 사각 튜브(32,33), 원형 튜브(34,35), 테이퍼 튜브(36), 다세포 튜브(37,38) 및 격자 구조(39)가 포함됩니다. Deng et al.40은 두께 구배 설계로 측면 주름 튜브의 초기 피크 힘을 44.53% 감소시켰지만 측면 주름진 테이퍼 튜브에 대한 연구는 없었습니다.

실험은 구조물의 충돌 내구성을 평가하는 가장 정확하고 직접적인 방법이지만 상당한 비용과 자원이 필요합니다. 또한, 구조의 응력-변형률 구름 및 다양한 형태의 에너지 값과 같은 일부 중요한 데이터는 실험에서 얻기 어렵습니다18. 유한 요소 해석은 수학적 근사치를 사용하여 실제 하중 조건을 시뮬레이션하는 방법입니다. 이것은 주로 선형 구조 문제를 해결하기 위해 항공 우주 분야에 처음 적용되었습니다. 나중에, 그것은 토목 공학, 기계 공학 및 재료 가공과 같은 많은 분야에서 비선형 문제를 해결하기 위해 점차 적용되었습니다34. 또한 유한 요소 소프트웨어 개발을 통해 시뮬레이션 결과는 해당 실험의 결과와 점점 더 가까워졌습니다. 따라서 유한 요소 해석을 사용한 시뮬레이션을 사용하여 구조물의 충돌 내구성을 조사합니다. 이 연구에서는 주름진 테이퍼 튜브의 준 정적 압축 성능에 대한 유한 요소 해석을 수행했습니다. 두께가 가변적인 두 가지 유형의 측면 주름진 테이퍼 튜브(즉, 단일 골판지 테이퍼 튜브[ST] 및 이중 골판지 테이퍼 튜브[DT])의 에너지 흡수를 수치로 연구했습니다. 결과는 기존의 원추형 튜브(CT)에서 얻은 결과와 비교되었습니다. 세 가지 유형의 얇은 벽 튜브의 치수는 그림 1A에 나와 있습니다. ST의 기하학적 매개변수는 그림 1B에 나와 있으며 DT는 두 개의 ST를 교차하여 구축됩니다. 두께 구배는 그림 1C와 같이 설계되었으며, 두께 변화는 변형 계수 k를 도입하여 정의됩니다. 그림 1C에서 t/h/2 = 0.44mm, k는 0, 0.3, 0.6, 0.9, 1.2 및 1.5로 설정됩니다. 결과는 최대 파쇄력이 감소하고 파쇄력 효율이 k가 증가함에 따라 증가한다는 것을 보여줍니다.

프로토콜

1. CAD 소프트웨어에서 표면 생성

  1. CAD 소프트웨어(재료 표 참조)를 열고 파일, 새로 만들기를 차례로 클릭한 다음 Part를 선택합니다.
  2. Part1에서 Top을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Show를 선택합니다.
  3. 새 평면 만들기: Ctrl 키를 누르고 마우스 왼쪽 버튼을 클릭하여 맨 위 평면을 선택하고 위로 드래그합니다. 간격띄우기 거리로 30mm를 입력하고 평면의 이름을 "Bottom"으로 바꿉니다.
  4. "맨 위" 평면에 스케치를 만듭니다.
    1. Top을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Sketch를 선택하여 Sketch 1을 만듭니다. 스케치의 스플라인에서 방정식 이용 곡선을 선택합니다.
    2. 방정식 유형에서 파라메트릭을 선택합니다. 표 1에 따라 매개변수를 입력합니다.
      참고: 이 단계에서 맨 위 평면의 스케치 쉐이프가 생성됩니다. 예를 들어, CT를 생성하려는 경우 이 단계에서 표 1 에 7.21 x sin(t), 7.21 x cos(t), 0 및 2 x pi를 입력합니다.
  5. "하단" 평면에 스케치를 작성합니다.
    1. 아래쪽을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 스케치를 선택하여 스케치 2를 만듭니다. 스플라인에서 방정식 구동 곡선을 선택합니다.
    2. 방정식 유형에서 파라메트릭을 선택합니다. 표 1에 따라 매개변수를 입력합니다.
      참고: 바닥 평면의 스케치 쉐이프가 이 단계에서 생성됩니다. 예를 들어, CT를 생성하려는 경우 이 단계의 표 1 에 12.5 x sin(t), 12.5 x cos(t), 0 및 2 x pi를 입력합니다.
  6. 표면을 생성합니다.
    1. Lofted surface를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. 프로파일에서 스케치 1 및 스케치 2를 선택하고 확인을 선택합니다(보충 파일 1 참조).
  7. 위의 단계(단계 1.1-1.6)를 반복하여 세 가지 종류의 표면(그림 1A)을 생성하고 그림 1A와 같이 CT, ST 및 DT로 이름을 지정합니다.
    참고: 1.4.4단계와 1.5.4단계에서는 각각 위쪽 및 아래쪽 평면의 스케치를 작성하고, 1.6단계에서는 위쪽 및 아래쪽 평면의 스케치를 함께 연결하여 곡면을 형성합니다. 세 평면의 차이점은 1.4.4단계와 1.5.4단계의 스케치에 있습니다.

2. 유한 요소 소프트웨어에서 모델 구축

참고: k = 0.9인 ST의 준정적 압축 모델이 여기에 예시로 설명되어 있습니다. 세 가지 유형의 튜브의 유한 요소 모델은 정확히 동일합니다. 따라서 2.1.1 단계에서 다양한 유형의 튜브를 가져와야 하며 모든 결과를 얻으려면 2단계를 반복해야 합니다.

  1. 부품: 파트를 가져와서 생성합니다.
    1. 유한 요소 소프트웨어를 엽니다( 재료 표 참조). 파트 "ST" 가져오기: 파일을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 >> 파트를 순서대로 불러오기를 클릭합니다. 파일을 ST로 선택하고 이 파트의 이름을 "ST"로 지정합니다( 보충 파일 2 참조).
    2. "Bottom Plane" 파트 생성: Create Part를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. Shape(모양)에서 Shell(셸)을 선택하고 이 파트의 이름을 "Bottom Plane"으로 지정한 다음 Continue(계속)를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. 원 만들기: 중심 및 둘레를 선택하고 원점을 중심으로 하고 반지름이 20mm인 원을 그립니다. 참조점 set4 를 "Bottom Plane" 부품에 추가합니다.
    3. "Top Plane" 파트 작성: Create Part를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. Shape(모양)에서 Shell(셸)을 선택하고, 이 파트의 이름을 "Top Plane"으로 지정하고, Continue( 계속)를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. 원 작성: 중심 및 둘레(Create Circle: Center and Perimeter)를 선택하고 원점을 중심으로 하고 반지름이 20mm인 원을 그립니다."Top Plane" 부품에 참조점 set5 를 추가합니다.
  2. 재산: 재료 속성을 정의하고 재질을 단면에 할당합니다.
    1. 재질 속성을 생성합니다.
      참고: 세 가지 유형의 튜브는 동일한 재료 특성을 가지고 있습니다.
      1. 일반 > 밀도 > 재료 생성을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 "질량 밀도" 아래에 "7.85E-09 (7.85 x 10-9)"를 입력합니다.
        주: 재료 특성은 동일한 재료에 대해 이전에 출판된 보고서(41 )에서 얻어지며, 재료에 대한 소개는 논의 섹션에 포함되어 있습니다.
      2. Mechanical > Elasticity > Elastic을 순서대로 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 Young's Modulus 및 Poisson's Ratio에서 각각 "185,000"과 "0.3"을 입력합니다.
      3. Mechanical > Plasticity > Plastic을 순서대로 클릭하고 그림 2에서 가져온 데이터를 "Yield Stress" 및 "Plastic Strain"에 입력합니다.
    2. 섹션을 할당합니다.
      1. Create Section을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 "Category"에서 Shell을 선택하고 Continue를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다.
      2. "쉘 두께"에서 노드 분포를 선택하고, 분석 필드 생성을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고, 표현식 필드를 선택하고, "0.44 - 0.9/100 x (Y - 15)" 수식을 입력합니다.
        참고: 이 공식은 높이 방향으로 튜브의 두께를 변경하고 두께 구배를 달성하는 데 사용됩니다. 두께 변동 계수 k는 그림 1C와 같이 정의되며, 이는 단위 높이당 두께 변동을 나타냅니다. 또한 높이의 절반 두께는 고정 값(즉, th/2 = 0.44mm)으로 설정되므로 다른 높이의 두께는 중간 높이에서 파생될 수 있습니다.
        0.44 − k/100 × (Y − 15)
        여기서 Y는 소프트웨어에서의 높이 방향입니다.
      3. Assign Section(섹션 할당)을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고, 인터페이스에서 ST를 선택하고, Done(완료)을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고, OK(확인)를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다.
  3. 집회: 부품을 전체로 조립합니다.
    1. Create Instance를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 ST, Bottom Plane 및 Top Plane을 선택합니다. 그런 다음 확인 | 인스턴스를 회전하고 아래쪽 평면과 위쪽 평면을 선택합니다. 회전축의 시작점(0, 0, 0)과 끝점(1, 0, 0)을 차례로 입력하고 회전 각도에 90을 입력합니다. Translate Instance를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고, Top Plane을 선택한 다음, 평행 이동 벡터의 시작점(0, 0, 0)과 끝점(0, 30, 0)을 차례로 입력합니다.
  4. 걸음: 분석 단계를 생성하고 이력 출력 항목을 설정합니다.
    1. Create Step을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 Dynamic, Explicit를 선택한 다음 Continue를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. 기간 아래에 0.05 를 입력하고 확인 을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. Create History Output을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 Energy를 선택합니다.
    2. Create History Output을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. "Domain(도메인)"에서 Set5를 선택하고 "Output Variables(출력 변수)"에서 "RF2, U2"를 입력한 다음 OK(확인)를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다.
  5. 상호작용: 접촉 속성과 유형을 지정하고, 상단 평면과 하단 평면을 강체로 설정합니다.
    1. Create Interaction Property(상호 작용 속성 만들기)를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 Contact(연락처)를 선택합니다. "기계적"에서 접선 거동을 선택하고, "마찰 공식"에서 페널티를 선택하고, "마찰 계수"에서 "0.2"를 입력합니다.
    2. Create Interaction(상호 작용 만들기)을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 General Contact (Explicit)(일반 연락처(명시적))를 선택한 다음 "Global property assignment(전역 속성 할당)"에서 intProp-1을 선택합니다.
    3. Create Constraint를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 "Type"에서 Rigid body를 선택한 다음 Bottom Plane과 Top Plane을 선택합니다.
  6. 부하: 하단 평면을 고정하고 상단 평면에서 하향 하중 속도를 500mm/s로 설정합니다.
    1. Create Boundary Condition을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 "Types for Selected Step"에서 Displacement/Rotation을 선택하고 set4를 선택한 다음 모든 방향으로 0을 입력합니다.
    2. Create Boundary Condition(경계 조건 생성)을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 "Types for Selected Step(선택한 단계에 대한 유형)"에서 Velocity/Angular Velocity(속도/각속도)를 선택하고 set5를 선택하고 "V2" 아래에 -500을 입력하고 다른 방향으로 0을 입력합니다.
  7. 메쉬: 메싱을 하고 요소 유형을 결정합니다.
    참고: 2.7단계는 유한 요소 해석에서 중요합니다. 구조는 유한한 수의 요소로 맞물리고, 각 요소에 대해 적절한 수학적 근사치 솔루션이 가정된 다음, 전체 구조에 대한 평형 조건을 도출하고 해결하여 문제에 대한 솔루션을 얻습니다.
    1. 시드 파트를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 "Approximate Global Size"에 0.8을 입력한 다음 "By Absolute Value"에 0.08을 입력합니다. Mesh Part를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고 Yes를 선택합니다.
    2. Assign Element Type을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고, 파트를 선택하고, Done을 선택합니다. "Element Library"에서 Explicit를 선택하고 OK를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다.
    3. 2.7단계를 반복하여 CT, ST 및 DT의 세 부분을 메쉬합니다. ST의 유한 요소 모델은 그림 3에 나와 있습니다.
  8. 직업: 계산을 제출하고 결과를 내보냅니다.
    1. Create Job을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고, 계산할 모델을 선택하고, Continue를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. Job Manager를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하고, 계산할 모델을 선택하고, Submit을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다.
    2. 계산을 위해 완료된 모델을 선택하고 결과를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하여 시각화를 입력합니다. ST의 변형 모드(k = 0.9)는 시각화에서 얻습니다. Create XY Date(XY 날짜 생성)를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다. ODB 히스토리 출력을 선택하고 플롯 을 클릭하여 ST의 힘-변위 곡선(k = 0.9)을 플롯합니다.
  9. 2단계에서 2.1.1단계에는 3개의 구조 선택 항목이 있고 2.2.2.2에는 6개의 두께 변동 계수(k)가 있지만 다른 단계는 동일합니다. 따라서 위의 단계를 18회 반복하여 그림 4, 그림 5, 그림 6, 그림 7, 그림 8과 같이 18개 모델에 대한 변형 모드 및 힘-변위 곡선을 얻습니다. 또한, 충돌 내구성 평가 지표는 그림 9, 그림 10, 그림 11 및 표 2와 같이 방정식 1-4를 통해 힘-변위 곡선에서 구합니다.
    참고: 충돌 내구성 평가 지표의 도입과 방정식 1-4가 대표적인 결과에 있습니다.

결과

총 에너지 흡수(EA), 특정 에너지 흡수(SEA), 최대 파쇄력(PCF), 평균 파쇄력(MCF) 및 파쇄력 효율(CFE)42를 포함하여 구조물의 충돌 내구성을 결정하기 위해 일반적으로 사용되는 몇 가지 지표가 사용됩니다.

총 에너지 흡수(EA)43 는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

토론

테이퍼 튜브의 준정적 압축 성능은 유한 요소 해석에 의해 연구되었습니다. 다양한 두께를 가진 두 가지 새로운 유형의 주름진 테이퍼 튜브를 설계하고 준 정적 압축 성능을 조사했습니다. 준정적 압축 시뮬레이션에서는 몇 가지 중요한 단계와 설정을 확인해야 합니다.

재료 매개변수는 유한 요소 계산을 위한 기본 요구 사항입니다(프로토콜의 2.2.1?...

공개

저자는 공개할 내용이 없습니다.

감사의 말

제1저자는 중국국가자연과학재단(National Natural Science Foundation of China, 52078152번과 제12002095번), 광저우 과학기술계획(Guangzhou Science and Technology Plan) 일반프로그램(제202102021113호), 광저우 정부-대학연합기금(Guangzhou Government-University Union Fund, 제202201020532호), 광저우시 과학기술사업(Guangzhou Municipal Science and Technology Project, 제202102020606호)의 지원금에 감사를 표한다.

자료

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

참고문헌

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