بررسی تأثیر شکل و ساختار دوجداره برجذب انرژی در لوله‌های جدار نازک آلومینیومی

شهرجردی, علی; اکبری, میلاد; جعفری, ایمان

doi:10.47176/MAJ.2025.1490

بررسی تأثیر شکل و ساختار دوجداره برجذب انرژی در لوله‌های جدار نازک آلومینیومی

نوع مقاله : مکانیک جامدات

نویسندگان

¹ دانشیار، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه ملایر،ملایر،ایران

² دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران

10.47176/MAJ.2025.1490

چکیده

برای کاهش آسیب‌های ناشی از تصادفات، از جاذب‌های انرژی استفاده می‌شود. سازه‌های جدا نازک به‌عنوآن‌یکی از سازه‌های برجسته در جذب انرژی به روش‌های مختلف شناخته‌شده‌اند. این سازه‌ها به دلیل وزن کم، توانایی جذب انرژی، شکل لهیدگی و نسبت بالای جذب انرژی به وزن، به‌عنوآن‌یکی از مؤثرترین سیستم‌های جذب انرژی در نظر گرفته می‌شوند. در این پژوهش، تأثیر تغییر شکل هندسی لوله آلومینیومی 3105 با مقطع دوجداره دایره‌ای و مثلثی بر میزان جذب انرژی و بارگذاری محوری موردبررسی قرارگرفته است. در این مقاله، یک سامانه نوآورانه جذب انرژی برای بهبود ایمنی فرود فضاپیماها در سطح ماه معرفی‌شده است. این سامانه مبتنی برسازه‌های جدار نازک چندلایه آلومینیومی با هندسه ترکیبی و رفتار هوشمند طراحی‌شده است. با الهام از نتایج آزمایش‌های تجربی بر لوله‌های دوجداره، ساختاری سه‌لایه با مقاطع دایره‌ای، مثلثی و هشت‌ضلعی به‌منظور بهینه‌سازی توزیع تنش، جذب انرژی بالا و کاهش جرم ارائه می‌شود. استفاده از پوشش‌های خودترمیم شونده و لایه‌های پیزوالکتریک، این سامانه را قادر می‌سازد تا ضمن جذب بیش از ۹۰٪ انرژی ضربه، بخشی از انرژی را به‌صورت الکتریکی ذخیره کند. نتایج شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌ها بهبود چشم‌گیر عملکرد مکانیکی و کارایی چندمنظوره این ساختار را نشان می‌دهد.در بخش تجربی، لوله‌هایی با مقطع دوجداره دایره‌ای و مثلثی از جنس آلومینیوم جدار نازک تهیه شده و سپس آزمایش‌های شبه استاتیک با نرخ بارگذاری ثابت بر روی نمونه‌ها انجام گردید. در هر آزمایش، نمودار نیرو برحسب جابه‌جایی اندازه‌گیری شد و نمونه‌های واقعی برای شبیه‌سازی فرایند لهیدگی با استفاده از برنامه آباکوس مدل شدند که در آن اثر رفتار غیرخطی مواد، تماس و تغییر شکل‌های بزرگ لحاظ گردیده است. با مقایسه نتایج تجربی و عددی، مشخص شد که مدل ارائه‌شده برای تعیین پاسخ لهیدگی، نمودار نیرو-جابجایی و میزان انرژی جذب‌شده، مناسب است. همچنین، تأثیر دوجداره کردن با مقاطع دایره‌ای و مثلثی بر ظرفیت جذب انرژی لوله‌های آلومینیومی موردبررسی قرار گرفت و مشخص گردید که افزایش تعداد لوله‌های جاذب تأثیر زیادی بر میزان انرژی جذب‌شده و نیروی قابل تحمل توسط جاذب‌ها دارد.

چکیده تصویری

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26455323.1404.21.2.5.6

موضوعات

مکانیک جامدات

عنوان مقاله [English]

Study on the Impact of Shape and Double-Walled Structure on Energy Absorption in Thin-Walled Aluminum Tubes

نویسندگان [English]

ali shahrjerdi ¹
Milad Akbari ²
iman jafari ²

¹ Associate Professor, Faculty of Technical Engineering, Malayer University, Malayer, Iran

² Master's student, Faculty of Technical Engineering, Malayer University, Malayer, Iran

چکیده [English]

To mitigate the damage caused by collisions, energy absorbers are employed. Thin-walled structures, renowned for their energy absorptio capabilities, are designed in various configurations. Due to their lightweight, high energy absorption capability, controlled crushing behavior, and superior energy-to-weight ratio, these structures are recognized as one of the best energy absorption systems. In this study, the effect of geometric shape variations in aluminum tubes with circular and triangular double-walled cross-sections on energy absorption and axial loading was investigated. In the experimental section, aluminum thin-walled tubes with circular and triangular double-walled cross-sections were prepared, followed by quasi-static tests under a constant loading rate on the samples, where force-displacement curves were measured in each test. A model was developed to simulate the crushing process using finite element analysis, considering nonlinear material behavior, contact, and large deformations. By comparing the experimental and numerical results, it was determined that the proposed model is suitable for predicting the crushing response and determining the force-displacement curve and absorbed energy. The mechanical properties of the samples and the compressive loading were tested using a servo-hydraulic testing machine manufactured by Santam. This study also examined the impact of double-walling with circular and triangular cross-sections on the energy absorption capacity of aluminum tubes, demonstrating that adding an extra layer significantly increases the absorbed energy and the load-bearing capacity of the absorber.

کلیدواژه‌ها [English]

Energy Absorption
Thin-Walled Tube
Aluminum
Experimental Analysis
Static Crushing

مراجع

[1] Cetin E, Baykasoğlu C. Energy absorption of thin-walled tubes enhanced by lattice structures. International Journal of Mechanical Sciences. 2019;157:471-84.

[2] Jones N. Structural Impact. Cambridge University Press 1989. 1997.

[3] Langseth M, Hopperstad O, Hanssen A. Crash behaviour of thin-walled aluminium members. Thin-walled structures. 1998;32(1-3):127-50.

[4] Saini A, Tak SK, Loda A, Dev A, Dipali BP, editors. A Review on Performance of Thin-Walled Metallic Tubes as Energy Absorbing Structures. Proceedings of International Conference of Undergraduate Students.

[5] Renreng I, Djamaluddin F, Furqani F, editors. Energy Absorption Analysis of aluminum Filled Foam Tube Under Axial Load using Finite Element Method with Cross Section Variations. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering; 2020: IOP Publishing.

[6] Reid SR, Reddy T, Gray M. Static and dynamic axial crushing of foam-filled sheet metal tubes. International Journal of Mechanical Sciences. 1986;28(5):295-322.

[7] Seitzberger M, Rammerstorfer FG, Degischer HP, Gradinger R. Crushing of axially compressed steel tubes filled with aluminium foam. Acta Mechanica. 1997;125:93-105.

[8] Zhang Y, Sun G, Li G, Luo Z, Li Q. Optimization of foam-filled bitubal structures for crashworthiness criteria. Materials & Design. 2012;38:99-109.

[9] Salehghaffari S, Tajdari M, Mokhtarnezhad F. The collapse of thick-walled metal tubes with wide external grooves as controllable energy-dissipating devices. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2009;223(11):2465-80.

[10] Nia AA, Hamedani JH. Comparative analysis of energy absorption and deformations of thin walled tubes with various section geometries. Thin-Walled Structures. 2010;48(12):946-54.

[11] Nia AA, Badnava H, Nejad KF. An experimental investigation on crack effect on the mechanical behavior and energy absorption of thin-walled tubes. Materials & Design. 2011;32(6):3594-607.

[12] Xiang X, Zou S, San Ha N, Lu G. Energy absorption of bio-inspired multi-layered graded foam-filled structures under axial crushing. Composites Part B: Engineering. 2020;198:108216.

[13] Ab Rahim Nib. crash performence of polyurthane foam-filled aluminium column.

[14] Xiang X, Shao D, Pang T, Ngo TT, Ha NS, Zhang S. Energy absorption of multilayer aluminum foam-filled structures under lateral compression loading. Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2024;31(3):659-75.

[15] San Ha N, Lu G. Thin-walled corrugated structures: A review of crashworthiness designs and energy absorption characteristics. Thin-Walled Structures. 2020;157:106995.

[16] Magliaro J, Mohammadkhani P, Rahimidehgolan F, Altenhof W, Alpas AT. Influence of Extruded Tubing and Foam-Filler Material Pairing on the Energy Absorption of Composite AA6061/PVC Structures. Materials. 2023;16(18):6282.

[17] Hasanzadeh H, Mohtarami E, Ebadati M, Kashyzadeh KR, Omidi Bidgoli M. Collapse analysis of Al 6061 alloy conical shells with circular cutouts under axial loading: experiment and simulation. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 2022;236(4):704-14.

[18] Wierzbicki, Tomasz, and Wlodzimierz Abramowicz. "On the crushing mechanics of thin-walled structures." (1983): 727-734.

[19] Abramowicz , Wlodzimierz , and Norman Jones. "Dynamic axial crushing of square tubes." International Journal of Impact Engineering 2, no. 2 (1984): 179-208