تحلیل رفتار مچالگی محوری تیوب پرشده با فوم فلزی سلول بسته با رویکرد ورونویی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید رجایی، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

4 دانشکده مهندسی صنایع، دانشگاه تهران شمال، تهران، ایران

چکیده

مواد متخلخل به ویژه فوم‌های فلزی از جمله مواد با کاربرد جذب انرژی و نسبت استحکام به وزن بالا‌‌اند. در مقاله حاضر رفتار شبه استاتیکی فشار محوری نمونه‌های فوم آلومینیومی تابعی و تیوب‌های پرشده از فوم به صورت عددی و تجربی مورد تحلیل قرار می‌گیرد. برای ایجاد مدل عددی نمونه‌های تابعی، لایه‌های مختلف مکعبی فوم با چگالی‌ها و تنش‌های تسلیم متفاوت روی یکدیگر جانمایی شده است. نمونه‌ها عبارتند از تابعی دو و سه لایه و نیز فوم غیر تابعی تک لایه به صورت درون تیوب و بدون آن. برای صحه‌گذاری مدل عددی و نیز تخمین خواص غیرخطی فوم از تست‌های استاندارد فشار محوری استفاده شده است. به منظور ارتقای استحکام و جذب انرژی از یک طرف و قابلیت ساخت سفارشی از طرف دیگر، نمونه‌های فوم داخل تیوب‌های آلومینیومی با مقطع مربعی جانمایی شده‌اند. در مدل‌سازی ریزساختار تصادفی از دیاگرام ورونویی استفاده شده است. به علاوه در مدل‌سازی، سلول واحدی مبتنی بر سلول کلوین ارائه گردیده است. برای افزایش کارایی و سهولت در مدل‌سازی، رویکرد ترکیبی اجزای محدود و دیاگرام ورونویی به کمک قابلیت ماکرونویسی پایتون، در نرم‌افزار آباکوس پیاده‌سازی شده است. نهایتا با کالیبراسیون مدل عددی، تطابق مناسبی میان نتایج تحلیل عددی و تست‌های تجربی مشاهده شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Metallic Closed-Cell Foam Filled Tube Uniaxial Crushing Behavior Analysis Using Voronoi Approach

نویسندگان [English]

  • Youssef Taraz Jamshidi 1
  • Ali Pourkamali Anaraki 1
  • Mojtaba Sadighi 2
  • Javad Kadkhodapour 1
  • Seyed Mohammad Hossein Mirbagheri 3
  • Behnaz Akhavan 4
1 Mechanical Engineering Department, SRTTU, Tehran, Iran
2 Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
3 Department of Mining & Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
4 Industrial Engineering Department, Tehran North Branch, Islamic Azad Universitty, Tehran, Iran
چکیده [English]

Porous materials especially metallic foams are novel materials with high energy absorption and strength to weight ratio capability. In the present paper, we investigate quasi-static uniaxial compression and crushing behavior of closed-cell graded aluminum foams and foam-filled tubes, both numerically and experimentally. To model the mentioned specimens, we place cubes with several densities and strengths to generate functionally graded specimens. Specimens are considered to be graded with two and three layers and non-graded single layer, with and without tubes. Various standard uniaxial compression experiences are conducted for numerical model calibration and validation and also for non-linear mechanical properties and hardening characterization. To enhance strength and energy absorption capability and also tailoring purpose, we layout the cubic foams in tubes with square profile. The 3D Voronoi diagrams approach is manipulated to model stochastic foam microstructure. Also Novel unit cell is proposed based upon Kelvin cell. We implement the hybrid finite element analysis and Voronoi diagram using Python script and Abaqus 2017 commercial finite element method based code for more convenient modeling and efficient analysis. Finally, and after numerical model calibrations, numerical and experimental results showed good agreement.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Foam-Filled tube
  • Alporas closed-cell foam
  • Voronoi Diagram
  • Micro-structure
  • finite element method
[1]. H.V.T. O. E. Sotomayor, Role of cell regularity and relative density on elastoplastic compression response of 3-D open-cell foam core sandwich structure generated using Voronoi diagrams, Acta Materialia, 78 (2014) 301–313.
[2]. V.K. J. Němeček, J. Vondřejc, A two-scale micromechanical model for aluminium foam based on results from nanoindentation, Computers and Structures, 128(1) (2013) 136-145.
[3]. H.W. Z. Zheng, J. Yu, S. R. Reid, J. J. Harrigan, Dynamic stress-strain states for  metal foams  using  a 3D cellular model, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 72(1) (2014) 93-114.
[4]. Y.X.L. J. y. YUAN  Effects  of  cell  wall  property on compressive performance of aluminum foams, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 25(5) (2015) 1619-1625.
[5]. L.T. C. Zhang, B. Yang, L. Zhang, X. Huang, D. Fang, Meso-mechanical study of collapse and fracture behaviors of closed-cell metallic foams, Computational Materials Science, 79(1) (2013) 45-51.
[6]. S.R. J. Kadkhodapour  Micro–macro  investigation of deformation and failure in closed-cell aluminum foams, Computational Materials Science, 83(1) (2014) 137-148.
[7]. P.X. L. Li, Y. Chen , H. Butt, Insight into cell size effects on quasi-static and dynamic compressive properties of 3D foams, Materials Science & Engineering A, 636(1) (2015) 60-69.
[8]. J.Z. Z. Li, J. Fan, Z. Wang , L. Zhao, On crushing response of the three-dimensional closed-cell foam based on Voronoi model, Mechanics of Materials, 68(1) (2014) 85-94.
[9]. Z.W. Y. Song, L. Zhao , J. Luo, Dynamic crushing behavior of 3D closed-cell foams based on Voronoi random model, Materials and Design, 31(1) (2010) 4281-4289.
[10]. Y.T. Jamshidi, Comprehensive Guide to Mechanical Analysis with ABAQUS, 4 ed., Tehran: Afrang Pub., Orange Triangle Series, 2017 (In Persian).
[11]. J.A. R. Nunes, M. Ammons, ASM Handbook, properties   and   selection:   non-ferrous   alloys  and special purpose materials, ASM International, 1992.
[12]. I. Ghobadi, Tensile Test Report, Contract No. 8413, Razi Lab., Tehran, 2018 (In Persian).
[13]. M.F.A. L. J. Gibson Cellular Solids, Structures and properties, 2 ed., Cambridge Publication, 1997.
[14]. M.S. Y. Taraz Jamshidi Engineering Elasticity, Applications and Problems, Tehran: Amirkabir University Press, 2017 (In Persian).
[15]. ABAQUS Documentation, Dassault Systemes Simulia Corp., 2017.
[16]. A.E. M. Ashby, N. Fleck , L. J. Gibson, Metal Foams: A Design Guide, Butterworth-Heinemann publications, 2000.
[17]. E.D. W. Yan, Y. Yamada , C. Wen, Crushing Simulation of Foam-Filled Aluminium Tubes, Materials Transactions, The Japan Institute of Metals, 48(7) (2007) 1901-1906.
[18]. M.S.M.M.A.S. Talebi, The Effect of  Impact Energy Parameters on the Closed-Cell Aluminum Foam Crushing Behavior Using X-Ray Tomography Method, AUT Journal of Mechanical Engineering, (2018) 105-114.
[19]. M.S.M.M.A.S.M.H.M.S. Talebi, Micro–macro analysis of closed-cell aluminum foam with crushing behavior subjected to dynamic loadings, Materials Today Communications, (2017).
[20]. Z.Z. Z. Li, J. Yu, J. Yang , F. Lu, Spherical indentation of closed-cell aluminum foams: An empirical force– depth relation, Materials Science & Engineering A, 618(1) (2014) 433-437.
[21]. L.J.G. S. K. Maiti, a. M. F. Ashby, Deformation and Energy Absorption Diagrams for Cellular Solids, Acta Metallurgica, 32(11) (1984) 1963–1975.
[22]. N.A.F. V. S. Deshpande Isotropic Constitutive Model for Metallic Foams, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 48(6) (2000) 1253–1276.
[23]. W.-Y.H. W.-Y. Jang, C.-C. Miao , Y.-C. Yen, Microstructure and mechanical properties of ALPORAS closed-cell aluminium foam, Materials Characterization, 107(1) (2015) 228-238.
[24]. P.M. S. Nammi, G. Edwards, Finite element analysis of closed-cell aluminium foam under quasi-static loading, Materials and Design, 31(2) (2010) 712-722.
[25]. Y.Z. S.-Y. He, G. Dai and J.-Q. Jiang, Preparation of density-graded aluminum foam, Materials Science & Engineering A, 618(1) (2014) 496-499.
[26]. W.Z. Q. Qin, On dynamic response of corrugated sandwich beams with metal foam-filled folded plate core subjected to low-velocity impact, Composites Part A, 114(1) (2018) 107-116.
[27]. Y.Z. Z. Liu, Z. Huang, Experimental and theoretical investigations on lateral crushing of aluminum foam- filled circular tubes, Composite Structures, (2017).