بررسی عددی و تجربی پاسخ پروفیل مربعی آلومینیومی پرشده با فوم آلومینیومی در برابر ضربه جانبی و محوری

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
پویا پیرعلی 1
محسن حیدری بنی 2
سیدمحمدرضا قادری 3
جعفر اسکندری جم 4
1 استادیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
2 دانشجوی دکتری، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
3 کارشناسی ارشد، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
4 استاد، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
10.22034/stme.2024.471012.1069
چکیده
فوم‌های فلزی به دلیل ظرفیت بالا در جذب انرژی و درعین‌حال چگالی پایین، کاربردهای زیادی در ساخت سازه‌های مختلف مانند انواع سپرهای محافظ و سازه‌های محافظ جهت جلوگیری از بار ناشی از انفجار و جذب بارها به‌ویژه بار‌های ضربه‌ای دارند. هدف از این پژوهش، بررسی نحوه پاسخ پروفیل در حالت تک‌ جداره و دو‌جداره تحت بار ضربه‌ی جانبی و محوری باهدف ارزیابی مقدار تأثیر استفاده از فوم آلومینیومی بر استهلاک انرژی وارده ناشی از ضربه است. ابتدا پروفیل‌های مربعی تک ‌جداره و دو‌جداره در محیط نرم‌افزار تحلیلی آباکوس شبیه‌سازی و تأثیر پارامترهایی مانند چگالی فوم آلومینیوم، استفاده از یک ‌جداره یا دوجداره، تأثیر برهم‌کنش بین فوم و دیواره بر رفتار عمومی سازه موردبررسی قرار گرفت. پس از ساخت نمونه‌ها، آزمون‎‌های اعمال ضربه جانبی و محوری با استفاده از سقوط وزنه انجام گرفت و جهت صحت‌سنجی با نتایج شبیه‌سازی ضربه جانبی و محوری مقایسه شدند. نتایج نشان داد که فوم آلومینیومی عملکرد مناسبی بر مقدار لهیدگی و جذب انرژی سازه تحت بار ضربه محوری دارد اما در حالت ضربه جانبی، به دلیل خاصیت شکنندگی(تردی) زیاد، استفاده از فوم تهیه‌شده در سازه تحت ضربه مناسب نبود. پر شدن پروفیل‌ آلومینیومی به‌صورت کامل با فوم آلومینیومی سبب کاهش 18 درصدی مقدار تغییر طول پروفیل تحت ضربه محوری شد. در نمونه‌های محوری پروفیل خالی تحت ضربه مقدار 16 میلی‌متر تغییر طول داشت که ماکزیمم نیروی لهیدگی آن 30 کیلو نیوتون اندازه‌گیری شد. اما برای مقاوم‌ترین پروفیل که پروفیل دوجداره با جدار داخلی 20*20 میلی‌متر است، مقدار لهیدگی 4 میلی‌متر و ماکزیمم نیروی لهیدگی در حدود 123 کیلو نیوتون ثبت شد.
کلیدواژه‌ها
فوم فلزی
پروفیل مربعی پرشده
ضربه جانبی
ضربه محوری
استهلاک و جذب انرژی
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical and Experimental Investigations of the Response of Foam-Filled Aluminum Square Profile Under Lateral and Axial Impact

نویسندگان English

Pooya Pirali 1
Mohsen Heydari Beni 2
Seyed Mohammad Reza Ghaderi 3
Jafar Eskandari Jam 4
1 1. Assistant Professor, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
2 Ph.D. Student, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
3 M. Sc. Student, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
4 Professor, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

The purpose of this paper is to investigate response of a profile with a square cross section filled with aluminum foam in single and double wall mode under lateral and axial impact load in order to evaluating the effect of using aluminum foam on the energy dissipation caused by the impact. First, single-walled and double-walled square profiles simulated in CAE ABAQUS and the effect of the parameters such as aluminum foam density, number of walls, effect of interaction between foam and wall on general response of model, etc. examined. Then, in order to validate the simulation results, the experimental test of lateral and axial impact using drop weigh impact test performed and the results compared with simulation results. By performing tests and simulations, it was found that aluminum foam has a moderate effect on the amount of crushing and energy absorption of the structure under axial impact load, but in the case of lateral impact, due to high brittleness, the use of foam prepared in the structure under impact is not appropriate. Therefore, it is better to use stronger foam.

کلیدواژه‌ها English

metal foam؛ filled square profile؛ lateral impact؛ axial impact؛ energy dissipation
absorption
[1] Singh, S., Bhatnagar, N., “A survey of fabrication and application of metallic foams,” Journal of Porous Materials, Vol. 25, pp. 537-540. DOI: 10.1007/s10934-018-0462-8, 2018.
[2] Yan, W., Durif, E., Yamada, Y., Cui, E. W., “Crushing simulation of foam-filled aluminium tubes,” Materials Transactions, Vol. 48, No. 7, pp. 1901-1906.
 DOI: 10.2320/matertrans.M2007108, 2007.
[3] Abedi, M. M., Niknejad, A., Liaghat, G. H., Nejad, M. Z., “Theoretical and experimental study on empty and foam-filled columns with square and rectangular cross section under axial compression,” International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 65, No. 1, pp. 134-146.
 DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2012.03.012, 2012.
[4] Fang, J., Gao, Y., Sun, G., Zhang, Y., Li, Q., “Parametric analysis and multiobjective optimization for functionally graded foam-filled thin-wall tube under lateral impact,” Computational Materials Science, Vol. 90, pp. 265-275.
 DOI: 10.1016/j.commatsci.2014.04.020, 2014.
[5] Yu, X., Qin, Q., Zhang, J., He, S., Xiang, C., Wang, M., et al., “Crushing and energy absorption of density-graded foam-filled square columns: Experimental and theoretical investigations,” Composite Structures, Vol. 201, pp. 423-433.
 DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.06.014, 2018.
[6] Yin, H., Dai, J., Wen, G., Tian, W., Wu, Q., “Multi-objective optimization design of functionally graded foam-filled graded-thickness tube under lateral impact,” International Journal of Computational Methods, Vol. 16, No. 1, pp. 1850088.
 DOI: 10.1142/S0219876218500889, 2019.
[7] Yao, R.-Y., Zhao, Z.-Y., Yin, G.-S., Zhang, B., “Attempt to improve the material utilisation and crashworthiness of grooved tube subjected to axial crushing,” International Journal of Crashworthiness, Vol. 26, No. 1, pp. 77-86. DOI: 10.1080/13588265.2020.1745598, 2021.
[8] Zhang, B., Wang, L., Zhang, J., Jiang, Y., Wang, W., Wu, G., “Deformation and energy absorption properties of cenosphere/aluminum syntactic foam-filled circular tubes under lateral quasi-static compression,” International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 192, pp. 106126. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106126, 2021.
[9] Rajak, D. K., Kumaraswamidhas, L., Das, S., “Technical overview of aluminum alloy foam,” Reviews on Advanced Materials Science, Vol. 49, No. 1.
 DOI: 10.1515/rams-2017-0012, 2017.
[10] Banhart, J., “Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams,” Progress in Materials Science, Vol. 46, No. 6, pp. 559-632.
DOI: 10.1016/S0079-6425(00)00010-5, 2001.
[11] Niknejad, A., Elahi, S. A., Elahi, S. M., Elahi, S. A., “Foam-filled columns with rectangular cross-section during the flattening process: Theory and experiment,” Mechanical and Materials Engineering, Vol. 43, No. 1, pp. 783-795. DOI: 10.1007/s10767-019-00633-1, 2019.
[12] Rogala, M., Ferdynus, M., “Numerical crush analysis of thin-walled aluminium columns with square cross-section and a partial foam filling,” Materials Science Forum, Vol. 952, pp. 201-206.
DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.952.201, 2019.
[13] Jianxun, Z., Yang, Y., Hui, Y., Qinghua, Q., Wang, T. J., “A theoretical study of low-velocity impact of metal foam-filled circular tubes,” Thin-Walled Structures, Vol. 148, pp. 106525.
 DOI: 10.1016/j.tws.2019.106525, 2020.
[14] Salehi, M., Mirbagheri, S. M. H., Ramiani, A. J., “Efficient energy absorption of functionally-graded metallic foam-filled tubes under impact loading,” Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 31, No. 1, pp. 92-110. DOI: 10.1016/S1003-6326(21)64037-3, 2021.
[15] Zhang, B., Wang, L., et al., “Deformation and energy absorption properties of cenosphere/aluminum syntactic foam-filled circular tubes under lateral quasi-static compression,” International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 192.
 DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106126, 2021.
[16] Shiravand, A., Asgari, M., et al., “Hybrid metal-composite conical tubes for energy absorption; theoretical development and numerical simulation,” Thin-Walled Structures, Vol. 160.
 DOI: 10.1016/j.tws.2022.109467, 2023.
[17] Kilicaslan, C., et al., “Numerical crushing analysis of foam-filled corrugated single- and double-circular tubes subjected to axial impact,” Thin-Walled Structures, Vol. 96.
 DOI: 10.1016/j.tws.2021.107029, 2022.
[18] Ruan, D., Lu, G., Chen, F. L., Siores, E., “Dynamic mechanical properties of closed-cell aluminum foams with uniform and graded densities,” Journal of Materials Research, Vol. 38, pp. 145-156.
 DOI: 10.1557/s43577-023-00592-5, 2023.
[19] Peroni, M., Solomos, G., Pizzinato, V., “Compressive response and energy absorption of foam-filled aluminum honeycomb composite: Experiments and simulation,” International Journal of Impact Engineering, Vol. 178, pp. 89-101.
 DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2023.102346, 2023.
[20] Wu, C., Ye, G., Zhao, Y., Ye, B., Wang, T., Wang, L., Zhang, Z., “Experimental and numerical study of in-plane uniaxial compression response of PU foam filled aluminum arrowhead auxetic honeycomb,” Rapid Prototyping Journal, Vol. 30, No. 3, pp. 502-512.
 DOI: 10.1108/RPJ-08-2023-0267, 2024.
[21] Ahan Yekta Metal Store, “Ahan yekta metal store,” Available from: http://www.ahanyekta.com/.
[22] Gere, J. M., Timoshenko, S. P., “Mechanics of Materials,” Cengage Learning, 6th ed., 2009. DOI: 10.1016/B978-0-12-374750-1.00001-3.
[23] Abdelaziz, A. Y., & Abed, F. (2021). Special Energy Absorption: Definition, Evaluation, and Applications. Materials, Vol. 14, No. 14, pp. 3881. DOI: 10.3390/ma14143881.
[24] Lu, G., Shen, J., Hou, W., Ruan, D., Ong, L. S., “Dynamic indentation and penetration of aluminium foams,” International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 50, No. 5, pp. 932-943.
 DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2008.03.009, 2008.

  • تاریخ دریافت 14 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 01 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش 01 آبان 1403
  • تاریخ اولین انتشار 01 آبان 1403
  • تاریخ انتشار 31 شهریور 1403