Modeling & Comparison of Mechanical Behavior of Foam Filled & Hollow Aluminum Tubes by LS-DYNA & Introducing a Neural Network Model

محورهای موضوعی : فصلنامه شبیه سازی و تحلیل تکنولوژی های نوین در مهندسی مکانیک

میثم رستمی ¹ (مربی، دانشکده فنی، دانشگاه پیام‌نور قزوین، قزوین)
مجتبی حسنلو ² (کارشناس ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت)
مصطفی سیاوشی ³ (کارشناس ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت.)

تاریخ دریافت : 1395/01/16 تاریخ پذیرش : 1395/01/16 تاریخ انتشار : 1394/08/10

کلید واژه: Neural network, Polyurethane Foam, energy absorption, Thin Walled Structures, Mechanical Behavior, LS-DYNA,

چکیده مقاله :

Energy absorption capability of thin-walled structures with various cross sections has been considered by researchers up to now. These structures as energy absorbers are used widely in different industries such as automotive and aerospace and protect passengers and goods against impact. In this paper, mechanical behavior of thin-walled aluminum tubes with and without polyurethane foam filler subjected to axial impact has been investigated. The tubes are very thin so that (D/t) ≈ 550 governs for cylindrical specimen. Structure behavior was analyzed through finite element analysis by LS-DYNA. Circular, hexagonal, and square cross sections with the same length, thickness, and circumference of sections were studied. The results show that circular cross section has the highest energy absorption while experiences the lowest change in length compared to hexagonal and square cross sections. Besides, the effects of stress concentration in hexagonal and square sections can be observed on the corners of walls. Also under the dynamic loading circular structure was crushed more symmetric, while hexagonal and square structures tended to the buckling. Also an Artificial Neural Network is introduced to predict load & energy Absorption behavior. The Neural Network's data obtained from LS-DYNA. The introduced model could present acceptable results in comparison with analysis of LS-DYNA

چکیده انگلیسی:

قابلیت جذب انرژی سازه­های جدار نازک با مقاطع مختلف همواره مورد توجه محققان بوده است. این سازه­ها بعنوان جاذب­های انرژی در صنایع مختلف از جمله اتومبیل­سازی و هوافضا مورد استفاده وسیعی قرار می­گیرند و سبب حفاظت از سرنشینان و محوله­ها در حین برخورد می­شوند. در این مقاله رفتار مکانیکی سازه­های جدار نازک از جنس آلومینیوم با فوم پرکننده پلی یورتان و بدون فوم تحت بارگذاری محوری ضربه­ای بررسی شده است. سازه­ها از نوع خیلی نازک می­باشند بطوریکه برای نمونه استوانه­ای رابطه (D/t) ≈ 550 برقرار است. تحلیل اجزا محدود و شبیه­سازی توسط نرم افزار LS-DYNA انجام شده است. سازه­های جدار نازک دارای مقاطع دایروی، شش ضلعی و چهار ضلعی با طول، ضخامت و اندازه محیط مقطع یکسان می­باشند. نتایج حاصل از پژوهش بیانگر آن است که سازه با مقطع دایروی از مقاطع چهار گوش و شش گوش انرژی بیشتری جذب می­نماید در حالیکه تغییر طول کمتری را تجربه می­کند. بعلاوه می­توان اثرات تمرکز تنش را در کنج­های مقاطع مربع و شش ضلعی بر روی جداره سازه­ها مشاهده کرد. همچنین سازه با مقطع دایروی به صورت متقارن­تر تحت بارگذاری دینامیکی فشرده می­گردد درحالیکه سازه­های جدار نازک با مقاطع شش و چهار ضلعی تمایل به کمانش دارند. در پایان نیز معماری از یک شبکه عصبی مصنوعی ارائه شده است تا با کمک آن و بهره­گیری از داده­های LS-DYNA  بتوان رفتار جذب انرژی و نیروی این سازه­ها را در قالب مدلی در شبکه عصبی بیان نمود. نتایج مدل پیشنهادی در مقایسه با نتایج تحلیلی نرم­افزار LS-DYNA دقت قابل قبولی داشتند

منابع و مأخذ:

[1] Hanssen A.G.,  Lorenzi L., Berger K.K., Hopperstad, O.S., Langseth, M. A demonstrator bumper system based on aluminium foam filled crash boxes, International Journal of Crashworthiness, vol. 5, No. 4, 2000, pp. 381–392.

[2] Wang Z., Tian H., Lu Z., Zhou W., “High-Speed Axial Impact of Aluminum Honeycomb – Experiments and Simulations, Composites Part B: Engineering, vol. 56, 2014, pp. 1–8.

[3] Algalib D., Limam A., Experimental and Numerical Investigation of Static and Dynamic Axial Crushing of Circular Aluminum Tubes, Thin-Walled Structures, vol. 42, 2004, pp. 1103–1137.

[4] Seitzberger M., Rammerstorfer F.G., Degischer, H.P., Gradinger, R., Crushing of Axially Compressed Steel Tubes Filled with Aluminium Foam, Acta Mechanica, vol. 125, No. (1–4), 1997, pp. 93–105.

[5] Nariman-Zadeh N., Darvizeh A., Jamali A., Pareto Optimization of Energy Absorption of Square Aluminium Columns Using Multi-Objective Genetic Algorithms, Proc. IME BJ Engineering Manufacturing, vol. 220, Issue 2, 2006, pp. 213–224.

[6] Zarei H.R., Kroger M., Optimization of the Foam-Filled Aluminum Tubes for Crush Box Application, Thin-Walled Structures, vol. 46, No. 2, 2008, pp. 214–221.

[7] Zarei H.R., Kroger M., Crashworthiness Optimization of Empty and Filled Aluminum Crash Boxes, International Journal of Crashworthiness, vol. 12, No. 3, 2007, pp. 255–264.

[8] Zarei H.R., Ghamarian A., Experimental and Numerical Crashworthiness Investigation of Empty and Foam-Filled Thin-Walled Tubes with Shallow Spherical Caps, Experimental Mechanics, vol. 54, 2014, pp. 115–126.

[9] Ghamarian A., Zarei H.R., Abadi M.T., Experimental and Numerical Crashworthiness Investigation of Empty and Foam-Filled End-Capped Conical Tubes, Thin-Walled Structures, vol. 49, 2011, pp. 1312–1319.

[10] Gupta N.K., Velmurugan R., Axial Compression of Empty and Foam Filled Composite Conical Shells, Journal of Composite Material, vol. 33, No. 6, 1999, pp. 567–591.

[11] Fan Z., Lu G., Liu K., Quasi-Static Axial Compression of Thin-Walled Tubes with Different Cross-Sectional Shapes, Engineering Structures, vol. 55, 2013, pp. 80–89.

[12] Reddy T.Y., Wall R.J., Axial Compression of Foam-Filled Thin-Walled Circular Tubes, International Journal of Impact Engineering, Vol. 7, No. 2, 1988, pp. 151–166.

[13] Reid S.R., Reddy T.Y., Gray M.D., Static and Dynamic Axial Crushing of Foam-Filled Sheet Metal Tubes, International Journal of Mechanical Sciences, vol. 28, 1986, pp. 295–322.

[14] Gameiro C.P., Cirne J., Dynamic Axial Crushing of Short to Long Circular Aluminium Tubes with Agglomerate Cork Filler, International Journal of Mechanical Sciences, vol. 49, 2007, pp. 1029–1037.

 

 

[15] Yamashita M.,  Gotoh M., Sawairi Y., Axial Crush of Hollow Cylindrical Structures with Various Polygonal Cross-Sections Numerical Simulation and Experiment, Journal of Materials Processing Technology, vol. 140, 2003, pp. 59–64.

[16]. LS-DYNA 971 Keyword User’s Manual.

[17] Pugsley  A., Macaulay M.A.,  The large scale  crumpling of  thin cylindrical  columns, Quarterly Journal of Mechanics & Applied Mathematics, vol. 13, 1960, pp. 1-9.