پديد آورنده :
هاشمي فشاركي، محمدحسين
عنوان :
تحليل مدل سازي ميانمقياس و كلانمقياس شبكه تارهاي نوساني پانتوگرافيك با كاربرد در ضربهگيرهاي بزرگراهي
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
راه و ترابري
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
توصيفگر ها :
فرامواد مكانيكي , شبكههاي پانتوگرافيك , مدلسازي چندمقياسي , تير تيموشنكو , نظريه الاستيسيته گراديان دوم , استهلاك انرژي , ضربهگير بزرگراهي , شبيهسازي عددي , ايمني راه , شاخص ايمني سرنشين (ASI) , استاندارد ارزيابي ايمني سختافزار راهها (MASH)
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/07/15
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/07/16
چكيده فارسي :
ايمني راهها و كاهش خسارات ناشي از برخورد وسايل نقليه از مهمترين چالشهاي مهندسي عمران در حوزه حملونقل است. در اين راستا، استفاده از فرامواد مكانيكي(موادي مهندسيشده كه خواص غيرمتعارفشان از معماري ريزساختار هندسي ناشي ميشود نه تركيب شيميايي) با معماريهاي نوين، افقهاي تازهاي را براي طراحي سامانههاي استهلاك انرژي فراهم ساخته است. شبكههاي پانتوگرافيك (ساختارهاي مهندسيشدهاي متشكل از تارها و لولاها) با ويژگي تغييرشكلهاي بزرگ و بازگشتپذير ، تنظيمپذيري صلبيت و ظرفيت بالاي استهلاك انرژي، بهعنوان گزينهاي نوآورانه براي طراحي ضربهگيرهاي بزرگراهي مطرح شدهاند. با اين حال، توصيف دقيق رفتار مكانيكي اين شبكهها مستلزم بهرهگيري از رويكردهاي چندمقياسي است؛ زيرا مدلهاي ميانمقياس، هرچند از دقت بالايي برخوردارند، بسيار پرهزينه و سنگين هستند و مدلهاي كلانمقياس با وجود كارآمدي محاسباتي، در نمايش جزئيات فيزيكي ناتواناند. اين پژوهش با رويكردي چندمقياسي به تحليل شبكههاي پانتوگرافيك با معماري نوساني و بررسي قابليت آنها در طراحي سامانههاي ضربهگير بزرگراهي پرداخته است. چالش اصلي، تعادل ميان دقت بالاي مدلهاي ميانمقياس و كارايي مدلهاي كلانمقياس است. براي رفع اين چالش، دو چهارجوب مدلسازي مستقل توسعه داده شد: نخست، يك مدل ميانمقياس سهبعدي با دقت بالا كه هر تار شبكه را بر پايه المان تير تيموشنكو شبيهسازي ميكند؛ و دوم، يك مدل كلانمقياس دوبعدي كارآمد كه شبكه را بهمثابه محيطي پيوسته و بر اساس نظريه پيشرفته الاستيسيته گراديان دوم توصيف مينمايد. اين دو مدل تحت چهار سناريوي بارگذاري شامل كشش مورب، فشار مورب، برش و پيچش، مورد مقايسه قرار گرفتند. نوآوري كليدي پژوهش، استفاده از تحليل تفكيكي انرژي كرنشي به مؤلفههاي كششي (Ψₑ)، برشي (Ψₛ) و خمشي (Ψ_b) است كه بهعنوان ابزاري تشخيصي براي تبيين ريشههاي فيزيكي اختلاف ميان دو مدل بهكار گرفته شد. نتايج نشان داد كه در بارگذاري پيچشي كه موجب تغييرشكل يكنواخت و گسترده در كل شبكه ميشود ، دو مدل همخواني چشمگيري دارند. اما در بارگذاريهايي كه به ناپايداريهاي موضعي و كمانش منجر ميشوند، تفاوت قابلتوجهي مشاهده گرديد. مدل كلانمقياس در بازنمايي پديده كمانش سهبعدي و تبيين سازوكارهاي ناشي از قفلشدگي هندسي (يعني محدود شدن تغييرشكلها در اثر درهمتنيدگي و محدوديتهاي هندسي شبكه) ناتوان بود و اعتبار آن تنها در شرايط خاصي تأييد شد. در بخش كاربردي، شبيهسازي برخورد بر اساس استاندارد ارزيابي ايمني سختافزار راهها (MASH) نشان داد كه ضربهگير پانتوگرافيك با كاهش حدود 56 درصدي شتاب اوج، افزايش 38 درصدي استهلاك انرژي نسبت به مانع بتني نيوجرسي، و دستيابي به شاخص ايمني سرنشين (ASI) برابر با 85/0، عملكرد برتري را ارائه ميدهد.اين تحقيق با ارائه چهارجوب محاسباتي معتبر، توان بالقوه شبكههاي پانتوگرافيك را در طراحي نسل نوين سامانههاي ايمني راه نشان داده و زمينهساز توسعه رويكردهاي نوين در ارتقاي پايداري و ايمني بزرگراهها است.
چكيده انگليسي :
This research undertakes a multi-scale analysis of pantographic networks with an oscillatory architecture, evaluating their potential for application in highway crash cushions. The primary challenge in modeling these metamaterials lies in the dichotomy between the high accuracy of computationally expensive meso-scale models and the efficiency of macro-scale models, which may lack sufficient precision. The main objective of this study is to systematically compare these two approaches to precisely determine their domains of validity.
To this end, two distinct modeling frameworks were developed: first, a high-fidelity 3D meso-scale model that represents each fiber as a Timoshenko beam element; and second, an efficient 2D macro-scale model that describes the network as a continuous medium based on advanced second-gradient elasticity theory. These two models were compared under four distinct loading scenarios: bias extension, bias compression, shear, and torsion. The methodological innovation of this research is the use of strain energy decomposition analysis into extensional (Ψₑ), shear (Ψₛ), and bending (Ψ_b) components as a powerful diagnostic tool to physically trace the origins of discrepancies in the predictions of the two models.
The results showed excellent agreement between the models under torsional loading, which induces a smooth deformation. However, severe divergence was observed in loading conditions leading to local instabilities. The macro-scale model was incapable of predicting 3D buckling and correctly interpreting the physical mechanisms of geometric locking, thereby proving its conditional validity. In the practical evaluation, a crash simulation based on the MASH standard demonstrated that the pantographic crash cushion exhibited superior performance, with an approximate 56% reduction in peak acceleration and a 38% increase in energy absorption compared to a New Jersey concrete barrier, achieving an Occupant Safety Index (ASI) of 0.85. This research, while providing a validated computational framework, confirms the high potential of these structures for designing the next generation of road safety systems.
استاد راهنما :
مهدي ابطحي فروشاني
استاد مشاور :
داود مستوفي نژاد
استاد داور :
مهدي حجازي , رضا عبدالهي
