21483

21483

تحليل تجربي، شبيه‌سازي عددي و بهينه‌سازي جاذب انرژي آلياژ منيزيم

دكتري تخصصي

خودرو

1392

1398/7/23

دكتر جواد مرزبان راد

خودرو

استفاده از آلياژهاي سبك فلزي يكي از راه‌هاي كاهش وزن سازه خودرو، به منظور صرفه‌جوئي در مصرف انرژي است. در اين ميان استفاده از آلياژهاي منيزيم، به عنوان سبكترين آلياژهاي فلزي موجود، همواره مورد توجه صنعتگران و محققين قرار گرفته است. با توجه به قابليت پائين فرم‌پذيري اكثر آلياژهاي منيزيم، در كاربردهاي جذب انرژي استفاده از آن‌ها بسيار محدود بوده و تحقيقات كمي در اين زمينه انجام شده است. از اين رو، در رساله حاضر رفتار جذب انرژي جاذب انرژي جدار نازك آلياژ فوق سبك منيزيم-ليتيم با مقطع دايره، به صورت تجربي و عددي بررسي مي‌شود. براي دستيابي به تركيبي مناسب از آلياژ و همچنين شرايط توليد ورق‌هاي مناسب مورد نياز براي ساخت اين جاذب‌ها، خواص متالورژيكي و مكانيكي مهم دو تركيب از اين آلياژ مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. تركيب اول شامل منيزيم، 7% وزني ليتيم و 1% وزني روي (LZ71) و تركيب دوم شامل منيزيم، 9% وزني ليتيم و 1% وزني روي (LZ91) هستند. آزمايش‌هاي صورت گرفته شامل بررسي ريزساختار به كمك ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي، آناليز فازي، ميكروسختي سنجي، تست كشش، بررسي سطح شكست، بررسي ناهمسانگردي و تست چقرمگي شكست است. بعد از انتخاب آلياژ و شرايط عمليات حرارتي مناسب، خواص مكانيكي مورد نياز از نمونه‌هاي مرتبط، به منظور استفاده در شبيه‌سازي‌هاي عددي استخراج شده است. همچنين به منظور بررسي عملكرد جذب انرژي اين آلياژها، لوله‌هايي به روش اتصال پرچي توليد شده و تحت تست مچالگي قرار گرفت. تحليل تجربي جاذب انرژي جدار نازك ساخته شده تحت بار فشاري به صورت شبه‌استاتيكي انجام شد. هدف اصلي اين آزمايش‌ها استخراج نمودارهاي نيرو-جابجائي به منظور مقايسه با نتايج شبيه‌سازي‌هاي عددي، با هدف صحه‌گذاري نتايج آنها مي‌باشد. دو تحليل اجزاي محدود مختلف با استفاده از ABAQUS/Explicit انجام شده است. در تحليل اول بارگذاري و شرايط مرزي نزديك به شرايط آزمايش‌ها براي لوله‌هاي بدون درز و همگن و در تحليل دوم، شبيه‌سازي‌ها براي لوله‌هاي درزدار ساخته شده به كمك اتصال پرچي انجام شده است كه نتايج هر دو گروه انطباق خوبي با نتايج آزمايشات تجربي دارند. سپس از مدل اجزاي محدود صحه‌گذاري شده براي بررسي تأثير هريك از پارامترهاي هندسي شامل قطر، ضخامت و فاصله پرچ، برروي پارامترهاي اصلي جذب انرژي استفاده شد. اين پارامترها عبارتند از نيروي ميانگين مچالگي، نيروي بيشينه مچالگي، انرژي جذب شده كلي، بازده نيروي مچالگي، جذب انرژي ويژه و بازدهي كلي. نتايج نشان داد كه آلياژ LZ71 به طور نسبي از آلياژهاي آلومينيوم AA6082 و AA6061 عملكرد بهتري در جذب انرژي دارد زيرا جذب انرژي ويژه و همچنين بازده نيروي مچالگي آلياژ LZ71 به طور محسوسي بهتر از دو آلياژ آلومينيوم ذكر شده است. به كمك شبكه‌هاي عصبي مصنوعي نوع GMDH فرامدل‌هايي جهت مدلسازي هر يك از پارامترهاي جذب انرژي مذكور بر حسب متغيرهاي هندسي قطر، ضخامت و فاصله پرچ، بر پايه داده‌هاي حاصل از مدلسازي اجزاي محدود بدست آمده‌ است. اين فرامدل‌ها به صورت روابط رياضي استخراج و ارائه شده و به كمك آن‌ها بهينه‌سازي انجام شده است. بهينه‌سازي چند هدفي برروي جاذب انرژي با در نظر گرفتن توابع هدف متضادي شامل جرم، جذب انرژي كلي و نيروي بيشينه مچالگي انجام و منحني پارتو ارائه شد. با تجزيه و تحليل نتايج بهينه‌سازي در نهايت چند نقطه مصالحه براي جاذب‌هاي انرژي آلياژ منيزيمي ساخته شده به كمك اتصال پرچي معرفي شده است.

1398/10/07

Experimental Analysis, Numerical Simulation, and Optimization of the Magnesium Alloy Energy Absorbers

10/14/2020 12:00:00 AM

To reduce energy consumption, the use of lightweight metal alloys is one way to decrease the weight of vehicles structure. Meanwhile, the use of magnesium alloys as the lightest metal alloys has always attracted the attention of manufacturers and researchers. In the field of mechanical energy absorption, magnesium alloys limited applications are obvious due to the poor formability, and consequently, there are few pieces of research have been focused on this issue. Hence, in this work, the crash energy absorption behaviors of thin-walled magnesium-lithium ultralight alloy cylindrical crash energy absorbers, are investigated experimentally and numerically. The metallurgical and mechanical properties of the two alloys are studied in order to obtain a suitable alloy composition as well as the conditions for the production of proper sheets required for the fabrication of the crash absorbers. The first compound contains Mg, Li (7 Wt.%), and Zn (1 Wt.%) (LZ71) and the second one contains Mg, Li (9 Wt.%), and Zn (1 Wt.%) (LZ91). Experiments included microstructure observation utilizing optic microscopy and scanning electron microscopy, fuzzy analysis by XRD, microhardness, tensile test, fractography, anisotropy investigation, and fracture toughness test. After selecting the proper alloy and the appropriate heat treatment condition the required mechanical properties are extracted from the related samples to use in the numerical simulations. Moreover, in order to investigate the energy absorption performance of these alloys, tubes are manufactured by rivet joints and subjected to crash testing. Experimental analysis of the produced thin-walled energy absorber is done under quasi-static compressive load to derive force-displacement graphs in order to validate the numerical simulation results. Afterward, two different finite element analyses are performed using ABAQUS/Explicit. In the first analysis, loading and boundary conditions are considered close to the experimental situations of homogeneous tubes. In the second analysis, similar to the experiments performed in this study, simulations were performed for tubes made by rivet joints. In both groups of simulations, the results have shown proper agreement with the outcomes of experiments. Then, the validated finite element models are used to investigate the effect of each of the geometrical parameters including diameter, thickness and rivet space, on the main energy absorption parameters. These parameters include Mean crushing force (FMean), Peak crushing force (FMax), Total Absorbed Energy (TEA), Crushing Force Efficiency (CFE), Specific Energy Absorption (SEA), and Total Efficiency (TE). The results showed that the LZ71 alloy relatively proper energy absorption performance compared to the AA6082 and AA6061 aluminum alloys, due to the fact that the SEA, as well as the CFE of the LZ71 alloy, were significantly more proper than the aluminum alloys. Utilizing the GMDH type artificial neural networks, metamodels of each of the above-mentioned energy absorption parameters have been developed in terms of geometric variables namely diameter, thickness, and rivet space, based on the data obtained from finite element modeling. These metamodels are extracted and presented as mathematical equations to utilize for optimization. Furthermore, Multi-objective optimization of the energy absorber was performed by considering the opposite objective functions namely mass, energy absorption, and peak crushing force, and then Pareto front have been presented. Finally, some compromise points for the magnesium alloy energy absorbers have been introduced, by analyzing the optimization results.

سازه‌هاي جدار نازك , مچالگي , جذب انرژي , تصادف , بهينه‌سازي , فلزات فوق سبك

Thin-Walled Structures , Crushing , Energy Absorption , Accident , Optimization , Ultra-Light Metals