شماره ركورد
26051
شماره راهنما
MEC2 309
عنوان
مطالعه عددي و مقايسهي انواع مقاطع برفدانه كخ پليمري پر شده با فوم، كاربرد در تصادم
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك - طراحي كاربردي
دانشكده
فني و مهندسي
تاريخ دفاع
1404/11/19
صفحه شمار
100
استاد راهنما
حميد بهشتي , فرهاد حاجي ابوطالبي
كليدواژه فارسي
جعبه تصادم , جذب انرژي , برفدانه كخ , پليمر , فوم
چكيده فارسي
در سامانههاي جذب انرژي مورد استفاده در تصادم، هدف اصلي افزايش ميزان جذب انرژي، كنترل فرآيند خردشدگي و كاهش نيروي بيشينه منتقلشده به اجزاي حساس سازه است. در اين پاياننامه، رفتار تصادمي جعبههاي تصادم با سطح مقطع برفدانهي كخ (فراكتالي) و پوسته پليمري +PLA بهصورت عددي مورد بررسي قرار گرفته و عملكرد آنها با يكديگر مقايسه شده است. مراتب فراكتالي مورد مطالعه از مرتبه صفر تا مرتبه دوم انتخاب شده و علاوه بر نمونههاي بدون تقويت محيطي، نمونههاي احاطهشده با ششضلعي محيطي نيز بهمنظور ارزيابي اثر تقويت هندسي تحليل شدهاند. بهمنظور بهبود عملكرد جذب انرژي، نقش پركنندههاي فومي داخلي نيز بررسي شده و سه نوع فوم شامل فوم آلومينيوم، فوم پليپروپيلن منبسطشده (EPP) و فوم فنوليك بهعنوان پركننده در نظر گرفته شدهاند. شبيهسازيهاي عددي با استفاده از نرمافزار آباكوس و به كمك حلگر ديناميكي صريح، كه براي مسايل برخورد، تماسهاي پيچيده و تغييرشكلهاي بزرگ مناسب است، انجام شده است. براي افزايش اعتمادپذيري نتايج عددي، فرآيند اعتبارسنجي از طريق مقايسه با دادهها يا مراجع تجربي، بررسي نسبت انرژي جنبشي به انرژي دروني و همچنين مطالعه حساسيت المان انجام گرفته است. شاخصهاي ارزيابي عملكرد شامل انرژي جذبشده (EA)، جذب ويژه انرژي (SEA)، نيروي بيشينه خردشدگي (PCF)، نيروي ميانگين خردشدگي (MCF) و بازده خردشدگي (CFE) استخراج و تحليل شدهاند. نتايج نشان ميدهد كه در مجموعه نمونههاي احاطهشده با ششضلعي محيطي و در مرتبه دوم فراكتالي، نمونه كخ فراكتالي مرتبه دوم با جداره شش ضلعي محيطي پرشده با فوم فنوليك (KF2-H-Phenolic) يك پاسخ قوي و متوازن ارايه ميدهد؛ بهطوريكه مقدار EA برابر با 5026.8 ژول و SEA برابر با 18.97 ژولبرگرم (بيشترين مقدار SEA در كل دادهها) بهدست آمده و همزمان بازده خردشدگي 72.8٪ حاصل شده است، در حاليكه نيروي بيشينه خردشدگي تنها تا 57.5 كيلونيوتن افزايش يافته است. همچنين نمونه كخ فراكتالي مرتبه دوم با جداره شش ضلعي پرشده با فوم آلومينيوم (KF2-H-Al) بيشترين مقدار جذب انرژي كل (EA برابر با 5375.1 ژول) و يكنواختي نيروي بالايي را نشان داده است، اما اين بهبود عملكرد با ثبت بيشترين نيروي بيشينه (62.1 كيلونيوتن) و كاهش دامنه فشردهسازي همراه بوده است كه نشاندهنده تمركز جذب انرژي در بازه تغييرشكل كوتاهتر و تحت نيروهاي بزرگتر است. در نمونههاي فاقد ششضلعي محيطي نيز، براي سري KF2، بهترين عملكرد به حالت پرشده با فوم آلومينيوم اختصاص دارد كه بهبود همزمان EA، SEA و CFE را بههمراه افزايش نيروي بيشينه نشان ميدهد. در مراتب فراكتالي پايينتر، مشاهده شد كه در برخي پيكربنديها، فوم EPP ميتواند افزايش جذب انرژي را بدون افزايش محسوس نيروي بيشينه فراهم كند و بهعنوان گزينهاي متعادل از نظر عملكرد تصادمي مطرح شود.
كليدواژه لاتين
Crash box , Energy Absorption , Koch snowflake , Polymer , Foam
عنوان لاتين
Numerical study and comparison of the different types of foam-filled polymeric Koch fractal sections, application in collision
گروه آموزشي
مهندسي مكانيك
چكيده لاتين
In impact energy absorption systems, the main objectives are to maximize energy
absorption, control the crushing process, and minimize the peak force transmitted
to critical structural components. In this thesis, the crash behavior of crash boxes
with Koch snowflake (fractal) cross-sections and PLA+ polymer shells was
numerically investigated, and their performance was compared. Fractal geometries
from the zeroth to the second order were considered. In addition to specimens
without external reinforcement, configurations surrounded by an external
hexagonal wall were also investigated to examine the effect of geometric
reinforcement. To further improve energy absorption performance, the effect of
internal foam fillers was also evaluated using three different materials: aluminum
foam, expanded polypropylene (EPP) foam, and phenolic foam. The numerical
simulations were carried out in Abaqus using the explicit dynamic solver, which is
well suited to impact problems involving complex contact interactions and large
deformations. To assess the reliability of the numerical results, the model was
validated through comparisons with experimental data and published references.
The kinetic-to-internal energy ratio was also examined, and a mesh sensitivity
analysis was performed to ensure that the results were not significantly affected by
mesh refinement. The crashworthiness performance of the investigated structures
was evaluated based on absorbed energy (EA), specific energy absorption (SEA),
peak crushing force (PCF), mean crushing force (MCF), and crushing force
efficiency (CFE). The results show that, among the configurations with an external
hexagonal wall, the second-order Koch fractal crash box filled with phenolic foam
(KF2-H-Phenolic) provides the most balanced overall crash response. This
configuration achieves an absorbed energy of 5,026.8 J and a specific energy
absorption of 18.97 J/g, which is the highest SEA obtained among all the
investigated configurations. At the same time, it maintains a crushing force
efficiency of 72.8%, while the peak crushing force reaches only 57.5 kN. The
second-order Koch fractal configuration with an external hexagonal wall and
aluminum foam filling (KF2-H-Al) achieves the highest total energy absorption,
with an EA of 5,375.1 J, and exhibits a highly stable crushing-force response.
However, this improvement comes at the cost of the highest peak crushing force,
62.1 kN, and a shorter crushing stroke. This behavior suggests that a greater portion
of the impact energy is absorbed over a shorter deformation range and under higher
crushing forces. For the configurations without an external hexagonal wall, the
aluminum foam-filled specimen in the KF2 series shows the best overall
performance. It provides simultaneous improvements in EA, SEA, and CFE,
although these improvements are accompanied by an increase in the peak crushing
force. At lower fractal orders, the results indicate that EPP foam can improve
energy absorption in some configurations without causing a noticeable increase in
the peak crushing force. Therefore, EPP foam can be considered a promising option
when a balance between energy absorption and peak-force control is desired.
تعداد فصل ها
5
فهرست مطالب pdf
165300
نويسنده