توصيفگر ها :
آگزتيك , نسبت پواسون موثر منفي , ضربه پذيري , جاذب انرژي , جدار نازك , تحليل عددي
چكيده فارسي :
جاذبهاي انرژي جدار نازك به طور گسترده در سيستمهاي حمل و نقل براي كاهش خسارت در برخوردهاي كمسرعت و افزايش ايمني استفاده ميشوند. اين قطعات بخشي انرژي جنبشيِ برخوردها و تصادفات را با انجام كار پلاستيك طي جمع شدگي و تغيير شكل مستهلك مينمايند. به منظور بهبود خواص ضربه پذيريِ اين ساختارهاي سنتي، دستهاي از فرامادهها به نام «آگزتيك» توجه پژوهشگران را جلب كرده است. آگزتيكها دستهاي از موادِ عموماً مهندسي شده هستند كه به دليل مكانيزم حركتي و دوران بين اجزاي سلولهايشان، نسبت پواسون موثر منفي از خود بروز ميدهند. به صورت كلي اين مواد قابليت بهبود جذب انرژي، افزايش مقاومت در برابر فرو رفتگي و توسعه ترك را دارند. بررسي خواص ضربه پذيري و توسعه جاذبهاي انرژي آگزتيك فلزي با مقاطع جدار نازك محور اصلي اين پژوهش بوده است. در اين راستا با ايجاد آرايش خاصي از حفرات بر روي مقاطعِ جدار نازك، كه رفتاري متعارف با نسبت پواسون مثبت دارند، خاصيت آگزتيك به آنها القا شد. ابزار مطالعاتي در اين پژوهش، شبيه سازيهاي عددي به كمك نرم افزار آباكوس است و پاسخهاي مكانيكي و ويژگيهاي ضربه پذيريِ ساختارهاي پيشنهادي با استفاده از حلگر صريح آباكوس و در شرايط شبه استاتيكي مورد تحليل قرار گرفت. در قدم اول با استفاده از روابطِ ساختاري، دادههاي حاصل از آزمايش كشش سادهي كوپنهايي از جنس AISI 316L مرتبسازي و بازتوليد شد، سپس با شبيه سازي آزمايش كشش در نرمافزار آباكوس، پارامترهاي مدل آسيب نرم به روش جيا-كووامورا كاليبره شدند. در گام بعدي به منظور صحت سنجي، شبيه سازيِ آزمايش فشار تكمحوره بر روي يك ساختار جدارنازك كه دادههاي آزمايشگاهي آن در مقالات موجود است، صورت پذيرفت؛ با انجام كاليبراسيون نهايي مشخص شد كه روش پيشنهادي براي آمادهسازي دادههاي ورودي و فرآيند طي شده، كفايت لازم براي شبيه سازي شبه استاتيكي ساختارهايِ جدار نازكِ آگزتيك در بارگذاري فشاري را داراست و پاسخهاي مكانيكي و تغيير شكلها را به خوبي پيش بيني مينمايد.
مدلهاي مورد بررسي شامل سه فرمِ جدارهي استوانهاي، مخروطي و موجدار (كنگرهاي) است كه بر روي آنها 5 مدل ريزسازه القايي با فاكتور مقايس الگو (PSF) صفر الي چهل درصدي قرار ميگيرد. ريزسازهها مدولهاي هندسي با سوراخهايي بيضيشكل هستند كه نسبت ابعادي آنها با يك تابع رگرسيون λ(PSF) بدست آمد و يك مورد نيز شكلي طبيعي حاصل از تحليل اجزا محدود داشت. پس از انجام شبيه سازيهاي عددي، عملكرد هر جاذب با ساير اعضاي همان دسته مقايسه شد؛ همچنين ساختار استوانهاي با الگوي سوارخهاي دايروي (PSF 0%) به عنوان مبناي مقايسهي كلي قرار گرفت. در نتيجهي اين مطالعه علاوه بر بهبود درك عمومي از ضربه پذيريِ ساختارهاي جدار نازك با ريزسازهي القايي، دو گروه ساختار جديدِ جدار نازك با ويژگي آگزتيك معرفي شد كه عملكرد ضربه پذيري را به طور موثري بهبود ميدهند.
دستهي نخست پوستههاي مخروطيِ آگزتيك است كه در بهترين حالتِ به دست آمده با زاويهي يال 4 درجه و ريزسازهاي با فاكتور مقياسِ ٪20، در قياس با مدلِ استوانهاي مبنا، جذب انرژي مخصوص (SEA) توسط آن 13/2 برابر و شاخص كارآمديِ نيروي تصادف (CFE) 83/1 برابر شده و ميزان بيشينه نيروي اوليهي برخورد (IPCF) نيز ٪1/12 كاهش ميبايد. دستهي دوم، پوستههاي موجدار (كنگرهاي) آگزتيك ميباشد كه در بهترين حالت با 6 موج و همان ريزسازهي قبلي CFE را برحسب روش محاسبه بين 21/2 تا 8/2 برابر و IPCF را 61٪ كاهش و SEA را ٪5/8 افزايش داد. درميانِ خود نمونههاي استوانهاي، با ايجاد رفتار آگزتيك از آغاز بارگذاري مقدار SEA 9٪/18 بيشتر، CFE 33/2 برابر و از IPCF نيز ٪45 كاسته شد؛ افزايش ضخامت جداره در اين گروه اگرچه رفتار آگزتيك را تشديد كرد اما منجر به كاهش شاخصهاي ضربه پذيري شد. استفاده از ريزسازه با درصد كسر حفرات (VF) متغير نشان داد كه اگرچه اين رويكرد ميتواند راهي براي افزايش پايداري عمومي و نيز تنظيم شدت رفتار آگزتيك باشد، اما لزوماً روشي مناسب براي بهبود ضربه پذيري نيست. همچنين به طور كلي مشاهده شد كه ريزسازه با فاكتور مقياس ٪20 بهترين عملكرد را در تركيب با پوستههاي مختلف ايجاد نمايد.
چكيده انگليسي :
Thin-walled energy absorbers are widely used in transportation systems to mitigate damage during low-speed collisions and enhance safety by dissipating kinetic energy through plastic deformation occurring during folding and structural changes. To further improve crashworthiness, auxetic metamaterials, which are generally engineered structures with negative effective Poisson’s ratios, have recently gained attention due to their superior energy absorption, indentation resistance, and crack growth suppression. This study focuses on investigating the crashworthiness and developing metallic auxetic energy absorbers with thin-walled cross-sections. For this purpose, auxetic behavior was induced in conventional thin-walled sections with positive Poisson’s ratio by introducing a specific arrangement of perforations. Numerical simulations in Abaqus/Explicit were used to analyze the mechanical responses and crashworthiness of the proposed structures under quasi-static conditions. For accurate numerical analysis, uniaxial tensile test data of AISI 316L coupons were first organized and reproduced using constitutive laws. Subsequently, through finite element simulations of the tensile test in Abaqus, the parameters of the ductile damage model were calibrated via the Jia–Kuwamura method. Next, the model was verified by simulating a uniaxial compression test on a thin-walled structure for which experimental data are available in the literature. The final calibration demonstrated that the proposed procedure for preparing input data and the overall process is sufficiently accurate for quasi-static simulations of auxetic thin-walled structures under compressive loading, successfully predicting their mechanical responses and deformation patterns.
The models examined included three shell forms: cylindrical, conical, and corrugated, each combined with five induced microstructures at pattern scaling factors (PSF) ranging from 0% to 40%. The microstructures were geometric modules with elliptical perforations whose aspect ratios were determined by a regression function λ(PSF), plus one case with a natural form obtained from finite element analysis. After performing the simulations, the performance of each absorber was compared with other members of the same category, while the cylindrical structure with circular perforations (PSF 0%) was used as the global reference.
This study not only improved the general understanding of the crashworthiness of thin-walled structures with buckling-induced microstructures but also introduced two new categories of thin-walled structures with auxetic properties, which effectively enhance crashworthiness. The first category is auxetic conical shells, where in the best-obtained configuration with an apex angle of 4° and a microstructure with PSF = 20%, the specific energy absorption (SEA) increased by 2.13 times, the crash force efficiency (CFE) by 1.83 times, and the initial peak crushing force (IPCF) decreased by 12.1%, compared to the reference cylindrical model. The second category is auxetic corrugated shells, where in the best case with six corrugations and the same microstructure, the CFE improved by 2.21–2.80 times (depending on the calculation method), IPCF decreased by 61%, and SEA increased by 8.5%. Among the cylindrical models, introducing auxetic behavior from the beginning of loading increased SEA by 18.9%, raised CFE by 2.33 times, and reduced IPCF by 45%. Although increasing wall thickness intensified the auxetic effect in this group, it led to a reduction in crashworthiness indexes. Employing microstructures with variable void fraction showed that, although this approach can enhance general stability and tune the intensity of auxetic behavior, it is not necessarily suitable for improving crashworthiness. Additionally, the microstructure with a 20% scale factor was found to exhibit the best performance when combined with various shell shapes.