Modelado de elementos finitos para la simulación de la compresión cuasiestática de tubos cónicos corrugados
6 de enero de 2023
Este protocolo describe el estudio del comportamiento de compresión cuasi-estática de tubos cónicos corrugados utilizando simulaciones de elementos finitos. Se investigó la influencia del gradiente de espesor en el rendimiento de compresión. Los resultados muestran que el diseño adecuado del gradiente de espesor puede cambiar el modo de deformación y mejorar significativamente el rendimiento de absorción de energía de los tubos.
Para importar y crear las piezas, abra el software de elementos finitos. Para importar la pieza ST, haga clic con el botón izquierdo en Archivo, seleccione Importar y, a continuación, en Pieza. Seleccione el archivo ST y asigne a esta pieza el nombre ST. A continuación, cree el plano inferior de la pieza.
Haga clic con el botón izquierdo en Crear pieza, vaya a Forma y seleccione Shell. Asigne a esta parte el nombre Plano inferior y haga clic con el botón izquierdo en Continuar. Seleccione esta opción para crear un círculo, un centro y un perímetro, y dibuje un círculo con el origen como centro y un radio de 20 milímetros.
Añada el punto de referencia Set-4 al plano inferior de la pieza. Del mismo modo, cree el Plano Superior y añada el punto de referencia Set-5 al Plano Superior de la pieza. Ahora, haz clic izquierdo en Crear material.
Vaya a General, seleccione Densidad en orden e ingrese 7.85 por 10 elevado a menos nueve en Densidad de masa. Haga clic con el botón izquierdo en Mecánico. Seleccione Elasticidad, seguido de Elástico en orden.
Y bajo el módulo de Young y la relación de Poisson, entrada 185, 000 y 0,3 respectivamente. A continuación, haz clic con el botón izquierdo en Mecánico. Seleccione Plasticidad y haga clic en Plástico.
Introduzca los datos en Límite elástico y deformación plástica. Haga clic con el botón izquierdo en Crear sección. Vaya a Categoría, seleccione Shell y haga clic con el botón izquierdo en Continuar.
En Espesor de vaciado, seleccione Distribución nodal. Haga clic con el botón izquierdo en Crear campo analítico. Seleccione Campo de expresión e introduzca la fórmula.
Haga clic con el botón izquierdo en Asignar sección. Elija ST de la interfaz y haga clic con el botón izquierdo en Listo, seguido de Aceptar. Ahora, para ensamblar las partes en un todo, haga clic con el botón izquierdo en Crear instancia. Seleccione ST, Plano inferior y Plano superior, y haga clic con el botón izquierdo en Aceptar. Haga clic con el botón izquierdo en Rotar instancia, seleccione Plano inferior y Plano superior, introduzca a su vez el punto inicial 000 y el punto final 100 del eje de rotación.
Y en Ángulo de rotación, escriba 90. Haga clic con el botón izquierdo en Crear paso, seleccione Dinámico, Explícito y haga clic con el botón izquierdo en Continuar. En Período de tiempo, escriba 0,05 y haga clic con el botón izquierdo en Aceptar. A continuación, haz clic con el botón izquierdo del ratón en Crear salida de historial y selecciona Energía.
Haga clic con el botón izquierdo en Crear salida de historial, vaya a Dominio y seleccione Set-5. Vaya a Variables de salida. Ingrese RF2 U2 y haga clic con el botón izquierdo en Aceptar. Ahora, defina las propiedades de contacto, el tipo y los planos superior e inferior como cuerpos rígidos.
Haga clic con el botón izquierdo en Crear propiedad de interacción. Seleccione Contacto, vaya a Mecánico y seleccione Comportamiento tangencial. En Formulación de fricción, seleccione Penalización y, en Coeficiente de fricción, escriba 0,2.
Haga clic con el botón izquierdo en Crear interacción. Seleccione Contacto general, explícito y, en Asignación de propiedades global, seleccione indProp-1. Haga clic con el botón izquierdo en Crear restricción.
En Tipo, seleccione Cuerpo rígido y elija Plano inferior y Plano superior. Para arreglar el plano inferior y establecer una velocidad de carga descendente de 500 milímetros por segundo en el plano superior, haga clic con el botón izquierdo en Crear condición de límite. En Tipos de paso seleccionado, seleccione Desplazamiento o Rotación.
Levante el Set-4 e ingrese cero en todas las direcciones. Haga clic con el botón izquierdo en Crear condición de límite. Vaya a Tipos para el paso seleccionado.
Seleccione Velocidad o Velocidad angular. Levante el Set-5, ingrese menos 500 en V2 e ingrese cero en la otra dirección. Haga clic con el botón izquierdo en Parte inicial, introduzca 0,8 en Tamaño global aproximado e introduzca 0,08 en Por valor absoluto.
Haga clic con el botón izquierdo en Parte de malla y seleccione Sí. Haga clic con el botón izquierdo en Asignar tipo de elemento, elija la pieza y seleccione Listo. En Biblioteca de elementos, seleccione Explícito y haga clic con el botón izquierdo en OK.To enviar los cálculos y exportar los resultados, haga clic con el botón izquierdo en Crear trabajo, seleccione el modelo que desea calcular y haga clic con el botón izquierdo en Continuar.
Haga clic con el botón izquierdo en Administrador de trabajos, seleccione el modelo que desea calcular y haga clic con el botón izquierdo en Enviar. Seleccione el modelo completado para el cálculo y haga clic con el botón izquierdo en Resultados para ingresar a la visualización. El modo de deformación del ST se obtiene a partir de la visualización.
Con el aumento del factor de variación de espesor k, el modo de deformación del ST cambió de expansión y contracción transversal a plegamiento axial progresivo. El modo de deformación del tubo CT cambió de plegado progresivo en forma de diamante a plegado progresivo en forma circular. Mientras que el tubo DT siempre mantuvo un modo de expansión y contracción transversal.
La fuerza máxima de aplastamiento disminuyó significativamente y la amplitud de la fluctuación de la fuerza se volvió pequeña. Con valores k más altos, el pandeo se produjo más cerca del extremo de carga, donde el espesor de la sección transversal del pliegue de plástico es menor. Por lo tanto, la fuerza máxima de trituración también disminuyó.
La absorción de energía y la absorción específica de energía aumentaron significativamente. Y la eficiencia de la fuerza de trituración aumentó con el aumento de k. Al mismo tiempo, la absorción de energía de los tubos de paredes delgadas cambió ligeramente con el aumento de los valores k, lo que también aumentó la eficiencia de la fuerza de trituración.
Un experimento de compresión cuasiestática en un TC de acero inoxidable impreso en 3D con valor k cero mostró que las curvas de fuerza-desplazamiento del experimento y la simulación coincidían bien, y los patrones de deformación eran casi idénticos.
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Descripción general
Este protocolo describe el estudio del rendimiento bajo compresión cuasiestática de tubos ahusados corrugados mediante simulaciones por elementos finitos. Se investigó la influencia del gradiente de espesor en el rendimiento bajo compresión.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ingeniería mecánica
- Ciencia de materiales
- Análisis por elementos finitos
Antecedentes
- Los tubos cónicos corrugados se utilizan en diversas aplicaciones de ingeniería.
- Comprender su rendimiento bajo compresión es crucial para la optimización del diseño.
- Los gradientes de espesor pueden influir en las propiedades mecánicas.
- Las simulaciones por elementos finitos proporcionan información sobre el comportamiento del material bajo tensión.
Objetivo del estudio
- Investigar el rendimiento de compresión de tubos corrugados cónicos.
- Analizar el efecto de los gradientes de espesor sobre los modos de deformación.
- Mejorar el rendimiento de absorción de energía mediante modificaciones en el diseño.
Métodos Utilizados
- Se realizaron simulaciones de elementos finitos para modelar el comportamiento del tubo.
- Se aplicaron diferentes gradientes de espesor para evaluar las variaciones de rendimiento.
- Se simularon pruebas de compresión para evaluar la absorción de energía.
- Se realizó un análisis de datos para interpretar los resultados.
Resultados Principales
- Un diseño adecuado del gradiente de espesor puede alterar los modos de deformación.
- Se observaron mejoras significativas en el rendimiento de absorción de energía.
- Los resultados de la simulación coincidieron con las expectativas teóricas.
- Los hallazgos pueden orientar futuros diseños de estructuras corrugadas.
Conclusiones
- Los gradientes de espesor desempeñan un papel fundamental en el rendimiento del tubo.
- Las simulaciones por elementos finitos son eficaces para la evaluación del rendimiento.
- Diseños optimizados pueden conducir a capacidades mejoradas de absorción de energía.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La modelización por elementos finitos de la compresión cuasiestática en tubos corrugados cónicos permite la evaluación predictiva de la absorción estructural de energía, apoyando el diseño inicial de materiales y dispositivos en la investigación y desarrollo biofarmacéuticos. Las salidas cuantitativas de la simulación informan decisiones ajustadas al riesgo para el desarrollo de dispositivos traslacionales y la reducción mecanicista de riesgos en construcciones diseñadas. Este enfoque aumenta la confianza en el rendimiento preclínico y apoya la clasificación de carteras para candidatos avanzados de materiales.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la investigación basada en hipótesis de los mecanismos de deformación y falla de materiales bajo cargas controladas.
- Apoya la reducción de riesgos mecanicistas al cuantificar el impacto de los gradientes de espesor y del corrugado en la absorción de energía.
- Proporciona confianza predictiva para seleccionar diseños estructurales con márgenes de seguridad óptimos.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Facilita la selección virtual rápida de variantes de diseño según su absorción de energía y rendimiento de carga-desplazamiento.
- Proporciona resultados de simulación estandarizados y reproducibles para la comparación cruzada de geometrías candidatas.
- Genera métricas cuantitativas (EA, SEA, fuerza máxima) para orientar la validación experimental posterior.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Alinea los resultados de la simulación con los datos experimentales de fuerza-desplazamiento para garantizar la continuidad translacional.
- Facilita el avance de dispositivos diseñados ajustado al riesgo mediante la predicción del comportamiento mecánico in situ.
- Permite la evaluación mecanicista de nuevos materiales o geometrías antes de las pruebas preclínicas.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
La simulación por elementos finitos se integra en el continuo desde el descubrimiento hasta la fase preclínica al proporcionar información cuantitativa temprana sobre el rendimiento estructural, orientando tanto la iteración del diseño como la priorización experimental.
- Biología de Descubrimiento: Cuantifica los modos de deformación y los umbrales de fallo para aclarar las relaciones entre estructura y función.
- Selección: Proporciona lecturas cuantitativas y reproducibles para la comparación rápida de variantes de diseño.
- Análisis: Genera curvas de carga-desplazamiento, absorción de energía y métricas de eficiencia para la toma de decisiones basada en datos.
- Investigación Traslacional: Conecta la simulación con la validación experimental para el desarrollo preclínico de dispositivos.
- Reutilización Empresarial: Establece un marco de modelado reutilizable para futuros proyectos de optimización de materiales y dispositivos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en el diseño estructural.
- Valor operativo: Estandariza los flujos de trabajo de simulación y posibilita el cribado virtual escalable.
- Valor estratégico: Apoya decisiones informadas de avance o interrupción y reduce el riesgo en fases avanzadas del diseño.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de candidatos a dispositivos y materiales para su desarrollo.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en modelado por elementos finitos y mecánica de materiales.
- Exige acceso a software de simulación e infraestructura computacional.
- Necesita parámetros de entrada estandarizados y validación frente a datos experimentales.
- Puede ser necesaria una adaptación para diferentes geometrías o sistemas de materiales.
- La precisión de la simulación depende de entradas precisas de las propiedades del material y de la definición de las condiciones de contorno.
