Nghiên cứu ứng xử ống tròn có gân dọc chịu nén dọc trục

Bài báo này nghiên cứu ứng xử và tính năng tin cậy chịu nén của các ống nhôm tròn có và không có gân dọc. Các gân dọc càng nhiều thì năng lượng riêng hấp thụ càng lớn. Lực nén lớn nhất (peak load) của ống có các gân lớn hơn so với ống không có gân dọc. Phương pháp TOPSIS được áp dụng để chỉ ra cấu trúc thích hợp dành cho thiết bị hấp thụ năng lượng va đập của xe hơi.

Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 407-417 Transport and Communications Science Journal INVESTIGATION OF ALUMINUM TUBE WITH VERTICAL CORRUGATION UNDER COMPRESSION Nhan T Tran1, Arameh Eyvazian2, DucHieu Le3* Faculty of Automobile Technology, Van Lang University, VietNam College of Engineering, Qatar University, Falcuty of Automobile Technology, Hanoi University of Industry ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 31/10/2019 Revised: 18/12/2019 Accepted: 18/12/2019 Published online: 16/1/2020 https://doi.org/10.25073/tcsj.70.5.5 * Corresponding author Email: hieuld@haui.edu.vn; leduchieu77@gmail.com Abstract This investigation studies crushing responses and crashworthiness performances of the aluminum circular tubes with and without vertical corrugations Crashworthiness performance and collapsing response of these tubes are analyzed The more the vertical corrugations are, the larger the specific energy absorption is Peak force of the tube with vertical corrugations is greater than that of tube without vertical corrugation Technique of Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) method is applied to point out the better tube for energy absorbing device Keywords: energy absorption, corrugated tube, crashworthiness, specific energy absorption (SEA) © 2019 University of Transport and Communications 407 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 407-417 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ ỐNG TRỊN CĨ GÂN DỌC CHỊU NÉN DỌC TRỤC Nhan T Tran1, Arameh Eyvazian2, DucHieu Le3* Khoa Cơng Nghệ Ơ Tơ, Đại học Văn Lang, Vietnam Trường kỹ thuật, Đại học Qatar Khoa Công Nghệ Ơ Tơ, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội, Vietnam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 31/10/2019 Ngày nhận sửa: 18/12/2019 Ngày chấp nhận đăng: 18/12/2019 Ngày xuất Online: 16/1/2020 https://doi.org/10.25073/tcsj.70.5.5 * Tác giả liên hệ Email: hieuld@haui.edu.vn; leduchieu77@gmail.com Tóm tắt Bài báo nghiên cứu ứng xử tính tin cậy chịu nén ống nhơm tròn có khơng có gân dọc Các gân dọc nhiều lượng riêng hấp thụ lớn Lực nén lớn (peak load) ống có gân lớn so với ống khơng có gân dọc Phương pháp TOPSIS áp dụng để cấu trúc thích hợp dành cho thiết bị hấp thụ lượng va đập xe Từ khóa: lượng hấp thụ (EA), ống lượn sóng, khả hấp thụ va đập; lượng riêng hấp thụ (SEA) © 2019 Trường Đại học Giao thông vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Ống thành mỏng thường sử dụng ô tô thiết bị hấp thụ lượng va đập Chúng nhẹ, chi phí thấp hấp thụ lượng cách có kiểm sốt Tin cậy va đập (crashworthiness) khả cấu trúc chịu lực tác động cụ thể Tin cậy va đập cấu trúc phụ thuộc vào nhiều yếu tố, liên quan đến vật liệu, cấu trúc, cho dù chịu tải trạng thái động hay tĩnh Nhiều báo vật liệu thiết bị hấp thụ lượng va thực vài thập kỷ qua Trong số đó, hợp kim nhơm thường sử dụng có tính ứng dụng cao rẻ so với vật liệu khác Những nghiên cứu thiết bị hấp 408 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 407-417 thụ lượng thực [1-3] Để so sánh, số tin cậy va đập đề xuất cơng trình [4-9] Ví dụ, số hiệu suất lực ép Chỉ số tỷ lệ lực nén trung bình so với lực nén lớn Chỉ số thứ hai lượng riêng hấp thụ (SEA) sử dụng để ước tính khả hấp thụ lượng cấu trúc Bên cạnh nghiên cứu cấu trúc đơn, Azimi Asgari [10] nghiên cứu khả tin cậy va đập ống hình nón cụt trường hợp tải trọng dọc trục cho thấy dù kích thước nhỏ, ống hấp thụ cách hiệu lượng va đập Ngoài ra, giá trị lực nén lớn yêu cầu để làm biến bạng ống thẳng Để giảm giá trị lực nén lớn yêu cầu, mô men uốn vị trí biến dạng cấu trúc phải quản lý điều chỉnh Sangace and El-Sobky [11] thực nghiên cứu ống có nếp gấp thực nghiệm Tiếp đó, Abdul Latif et al [12] đề xuất phương pháp nhằm cải thiện tính tin cậy va đập Phương pháp cắt ống vị trí cụ thể chèn đĩa không biến dạng vào bên ống Mặc dù có nhiều nghiên cứu thực nhằm tối ưu hóa lượng hấp thụ q trình biến dạng cách xem xét gấp nếp thiết bị hấp thụ lượng va đập Vẫn nhiều nghiên cứu lĩnh vực để tìm mơ hình vật liệu cụ thể mà sử dụng cách khả thi ứng dụng khác nhằm nâng cao tính tin cậy va đập Trong báo này, nghiên cứu thực ống nhơm tròn với gân dọc chịu nén dọc trục sau so sánh với ống thẳng Phương pháp TOPSIS sử dụng để cấu trúc hấp thụ lượng thích hợp CHỈ SỐ TIN CẬY VA ĐẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP TOPSIS 2.1 Chỉ số tin cậy va đập Để so sánh độ tin cậy va đập cấu trúc, vài số cần định nghĩa xem phương tiện so sánh: Năng lượng hấp thụ (EA) Một yếu tố quan trọng chứng minh liệu cấu trúc có khả va chạm tốt hay không EA, xác định theo công thức sau: EA =   max lực nén Fx dx , (1) độ lún tối đa cấu trúc Năng lượng riêng hấp thụ (SEA) SEA dung để đánh giá hiệu lượng hấp thụ cấu trúc khác với vật liệu kích cỡ khác Chỉ số tính theo cơng thức: SEA = EA m (2) đây, m khối lượng cấu trúc Lực nén lớn (Fmax) lực nén trung bình (Fm) Lực nén lớn lực tối đa, xác định vị trí cực đại giai đoạn trình chịu nén Và lực nén trung bình xác định theo cơng thức: 409 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 407-417 Fm = EA  max (3) Hiệu lực nén (CFE) Để đánh giá hiệu trình nén, hiệu lực nén (CLE) định nghĩa CFE = Fm Fmax (4) Nói chung, tính tốt đạt giá trị CFE 1, tức giá trị lực nén trung bình gần giá trị lực nén lớn 2.2 Phương pháp TOPSIS Để định thiết bị hấp thụ lượng thích hợp có tiêu chí xung đột lẫn SEA, Fm, Fmax CFE, phương pháp định đa thuộc tính TOPSIS sử dụng [13] Các bước phương pháp tiến hành sau: Bước 1: xây dựng ma trận ( xij ) bao gồm m phương án n tiêu chí Phần tử xij giao mn điểm phương án tiêu chí Bước 2: tính tốn ma trận chuẩn hóa R = ( rij ) Trong đó, phần tử rij tính tốn mn rij = xij  m (5) k =1 kj x Bước 3: tính tốn ma trận chuẩn hóa có trọng số Vij = rij  w j , hệ số trọng số với  n j =1 (6) w j = Trọng số w j ước tính dựa phương pháp entropy sau  m  −  − h f ij  ln ( f ij )   i =1  wj = n   m  1 −  − h f ij  ln ( f ij )    j =1   i =1  ( ) ( ) ( j = 1, 2, , n ) (7) ) ,  ) (8) Vij phần tử ma trận chuẩn hóa Bước 4: tính giá trị lý tưởng tốt xấu ( ( )( )( V =  (V ) J , max (V ) J ij − ij +  b   Vw =  max (Vij ) J − , (Vij ) J +   J + =  j = 1, 2, , n | j liên quan đến tiêu chí có tác động tích cực, J − =  j = 1, 2, , n | j liên quan đến tiêu chí có tác động tiêu cực Vb, Vw giá trị lý 410 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 407-417 tưởng tốt xấu Bước 5: tính khoảng cách Euclide từ lý tưởng tốt xấu   Si + =  S =  i−  (V m j =1 ij  (V m j =1 ij − V j+ ) −V ) (9) − j Bước 6: tính điểm hiệu suất Pi = Si− Si+ + Si− (10) với Pi điểm hiệu suất Bước 7: xếp hạng lựa chọn thay theo Pi THỬ NGHIỆM 3.1 Mẫu thử quy trình thực nghiệm Hai hợp kim nhơm khác sử dụng để sản xuất ống nhỏ lớn Tất ống dài 80 mm Đường kính ống nhỏ lớn 78,65 93,56 mm Kỹ thuật dập sử dụng để tạo nếp gấp Độ dày ống 1,5 mm Hình Mẫu thử nghiệm: a) Ống bé; b) Ống to Để chế tạo mẫu thí nghiệm, bốn sáu nếp gấp dọc chế tạo theo chiều dọc ống để khảo sát tác động nếp gấp đặc tính chịu nén ống tròn khả kiểm sốt biến dạng chúng Mẫu thí nghiệm thể Hình 1, Bảng trình bày thơng số chi tiết mẫu thử tải trọng nén dọc trục 411 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 407-417 Để có tham chiếu đặc tính tin cậy va đập cho kiểu ống khác nhau, số SEA, Fmax, CFE ống trơn cần xem xét Trong Hình 1, ‘SS’ đề cập đến ống trơn có đường kính nhỏ; ‘SB’ biểu thị ống có đường kính lớn Các ống lượn sóng với nếp gấp dọc trục có chiều dài định, gọi ‘CAH’ Theo cách này, ‘CAHB’ ‘CAHS’ đề cập đến ống có đường kính lớn nhỏ tương ứng Chỉ số đứng sau chữ viết tắt đại diện cho số lượng nếp gấp Thơng số nếp gấp đặc tính mơ tả Hình Bảng 1, tương ứng Các tính chất vật liệu hai hợp kim nhôm liệt kê Bảng Bảng Thông số ống Ống Độ dày, t (mm) Chiều dài, L (mm) Đường kính, D (mm) SS CAHS4 CAHS6 SB 78.65 1.5 80 93.56 CAHB4 CAHB6 Chiều sâu nếp gấp (mm) Bề rộng nếp gấp (mm) Chiều dài nếp gấp (mm) - - - 1.9 11.6 28.9 1.9 11.45 28.3 - - - 1.9 11.4 27.8 1.9 11.4 27.2 Quy trình thử nghiệm minh họa Hình Thí nghiệm thực máy kéo nén vạn INSTRON 8502 Mẫu thí nghiệm đặt hai ép Tấm ép bên cố định, ép bên dịch chuyển từ xuống dừng lại trình nén kết thúc Các đồ thị lực-chuyển vị trình bày cho tất trường hợp Một số nhà nghiên cứu sử dụng tốc độ chất tải từ đến mm/phút [14, 15] Như vậy, tốc độ mm/phút chọn cho thí nghiệm chịu nén Hình Thơng số nếp gấp Bảng Tính chất lý vật liệu Mô đun đàn hồi (GPa) Tỷ trọng (kg/m3) Hệ số Poison Giới hạn chảy (MPa) Giới hạn bền (MPa) Ống nhỏ 68.9 2670 0.33 68 124 Ống lớn 68.9 2690 0.32 164 216 412 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 407-417 Bàn ép Hướng di chuyển Mẫu Đế Hình Sơ đồ thử nghiệm Kết thực nghiệm Đối với trường hợp chịu tải trọng nén dọc trục, đồ thị lực-chuyển vị, trạng thái ứng xử tất ống xem xét trường hợp có khơng có diện nếp gấp dọc Các số bao gồm CFE, SEA, Fmax Fm xác định để so sánh ống thử nghiệm Bằng cách xem xét biến dạng đến 70% chiều dài ống, đặc tính ống thu đồ thị lực-chuyển vị sử dụng để xác định Fmax, Fm EA Hình Quá trình nén: (a) SS (b) CAHS4 (c) CAHS6 Ống nhỏ (SS, CHAS4, CAHS6): Tải trọng nén áp dụng ống nhỏ Biến dạng đồ thị lực-chuyển vị chúng thể Hình Hình Bảng cho thấy số tin cậy va đập cho ống Theo Bảng 3, ống có bốn nếp gấp dọc không mang lại khả vượt trội cho tính tin cậy va đập Mặc dù lực đỉnh cao chút ống có sáu nếp gấp dọc đó, khơng thể coi hữu ích Lực trung bình tìm thấy cao hơn, dẫn đến CFE có lợi chút (với mức tăng gần 34%) so với ống khơng có nếp gấp Ngồi ra, khả hấp thụ lượng cao đạt 1,5 lần ống khơng có nếp gấp dọc Hơn nữa, ống khơng có nếp gấp với đồ thị lực-chuyển vị không đồng bất lợi Những ống với nếp gấp dọc sử dụng để nhận đồ thị lực-chuyển vị đồng 413 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 407-417 Hình giải thích lý cho tính tin cậy va đập yếu ống CAHS4 so với ống CAHS6 Tính tin cậy va đập hai loại ống với gân dọc dọc vượt trội ống khơng có gấp nếp Ống CAHS4 bị biến dạng kiểu “biến dạng lục giác” Kiểu biến dạng không thuận lợi trường hợp chịu nén Ống CAHS6 biến dạng kiểu vòng (ring mode), cho thấy hấp thụ lượng có hiệu suất tốt [16, 17] Ống lớn (SS, CHAB4, CAHB6): Điều kiện tải giống cách so sánh nhóm ống nhỏ áp dụng cho ống lớn Hình cho thấy trình nén ống lớn Ống CAHB4 có chế độ biến dạng giống ống CAHS4 Mơ hình biến dạng CAHB4 khơng kỳ vọng vượt trội mặt tin cậy va đập Tuy nhiên, kiểu biến dạng CAHB6 biến dạng vòng (ring mode), mang lại kết đầy hứa hẹn Hình Đồ thị lực-chuyển vị ống nhỏ Hình Quá trình nén: (a) SB (b) CAHB4 (c) CAHB6 414 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 407-417 Bảng Đặc tính tin cậy va đập ống Ống SEA (kJ/kg) Fm (kN) Fmax (kN) SS 14.88 10.67 23.66 19.44 14.49 23.55 18.99 17.29 31.74 28.99 26.53 40.62 35.07 40.55 42.97 58.27 78.91 70.89 CAHS4 CAHS6 SB CAHB4 CAHB6 Đồ thị lực-chuyển vị số tính tin cậy va đập thể Hình Bảng tương ứng cho ống lớn Ống CAHB4, giống CAHS4, khơng cho thấy tính tin cậy va đập tốt kiểu biến dạng lục giác bất lợi Tuy nhiên, kết cho ống CAHB6 đầy hứa hẹn Ví dụ, ống CAHB6, SEA tăng 21,2% so với ống SB Ngoài ra, ống CAHB6, lực trung bình tăng đáng kể lực nén lớn nhỏ, dẫn đến tăng 15,2% CFE Tương tự ống nhỏ, đồ thị lực-chuyển vị ống lớn có gân dọc cho thấy đồng lớn hơn, thể kết mong muốn Việc so sánh đặc tính tin cậy va đập ống lớn nhỏ thể Hình Cả hai loại ống thể đặc điểm giống bao gồm CFE, Fm SEA CFE, Fm SEA ống gân dọc cao so với ống có gân dọc dọc chúng thấp so với ống có gân dọc dọc Tuy nhiên, Fmax khác Về ống khơng có gân dọc, lực nén lớn thấp ống có gân dọc dọc Hình Đồ thị lực-chuyển vị ống lớn Hình Đặc tính tin cậy va đập: (a) SEA (b) Lực đỉnh ‘Fmax’ (c) Lực trung bình ‘Fm’ (d) CFE 415 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 407-417 3.3 Kết phương pháp TOPSIS Điểm hiệu suất xếp hạng cuối tất ống áp dụng phương pháp TOPSIS liệt kê Bảng Bảng cho thấy cách kiểm tra tất số tin cậy va đập, ống nhỏ có sáu nếp gấp dọc CAHS6 cấu trúc hấp thụ lượng tốt cung cấp SEA, Fm, CEF cao với Fmax tương đối thấp Bảng Điểm hiệu suất xếp hạng ống Tube SS CAHS4 CAHS6 SB CAHB4 CAHB6 Pi 0.47585146 0.35177756 0.79892451 0.50357349 0.22702163 0.62970337 Rank KẾT LUẬN Bài báo giới thiệu sáu ống nhôm chia thành hai nhóm gồm ống nhỏ lớn có khơng có gân dọc Các thử nghiệm nén phân tích trạng thái ứng xử thực hai nhóm ống Kết thu từ nghiên cứu sau ● Chế độ biến dạng hình lục giác khơng mong muốn hai nhóm, đặc tính tin cậy va đập khơng cải thiện cho ống có bốn gân dọc ● Đối với hai loại ống, gần tất đặc tính hấp thụ lượng cải thiện tốt ống có sáu gân dọc Một cải thiện đáng kể đạt CFE Fm Fmax tăng thấp so với ống thẳng ● Khả hấp thụ lượng ống cải thiện thêm gân dọc Ống tròn có gân dọc dùng “Crash box” khung xe ô tô ● Phương pháp TOPSIS sử dụng để phân loại cấu trúc từ tốt đến xấu theo thiết kế phù hợp Đặc tính tin cậy va đập ống nhỏ CAHS6 tốt so với ống lại LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 107.99-2019.02 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] W Johnson, S.R Reid, Metallic energy dissipating systems, Applied Mechanics Reviews 31 (1978) 277-88 [2] N.Jones, T Wierzbicki, Structural Crashworthiness and Faillure, Elsevier Applied Science, 1992 [3] P.W Sharman, Structural Crashworthiness, N Jones, T Wierzbicki (Editors), Butterworth & Company (Publishers) Ltd, London, 1983, 443pp, Illustrated £40.00, The Aeronautical Journal 88 (1984) 450-450 https://doi.org/10.1017/S0001924000020066 [4] A.P Coppa, On the mechanism of buckling of circular cylindrical shells under longitudinal 416 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 407-417 impact, TIS Report R60SD494 General Electric Co, PA, USA, 1966 [5] B Budiansky, Dynamic buckling of elastic structures: criteria and estimates, in Dynamic Stability of Structures, Proc Int Conf, North-western University, Evanston Illinois, USA Pergamon Press, Oxford, 1966 [6] T Tran, A Baroutaji, Crashworthiness optimal design of multi-cell triangular tubes under axial and oblique impact loading, Engineering Failure Analysis, 93 (2018) 241-256 https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.07.003 [7] S.Pirmohammad, S Esmaeili-Marzdashti, Multi-objective crashworthiness optimization of square and octagonal bitubal structures including different hole shapes, Thin-Walled Structures, 139 (2019) 126-38 https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.03.004 [8] S.Pirmohammad, H Nikkhah, Crashworthiness investigation of bitubal columns reinforced with several inside ribs under axial and oblique impact loads, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering 232 (2018), 367-383 https://doi.org/10.1177/0954407017702986 [9] A Sadighi, A Eyvazian, M.Asgari, A.M Hamouda, A novel axially half corrugated thin-walled tube for energy absorption under Axial loading, Thin-Walled Structures 145 (2019), 106-418 https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.106418 [10] M.B.Azimi, M.Asgari, Energy absorption characteristics and a meta-model of miniature frusta under axial impact, International Journal of Crashworthiness, 21 (2016), 222-230 https://doi.org/10.1080/13588265.2016.1164445 [11] A.A.Singace, H.El-Sobky, Behaviour of axially crushed corrugated tubes, International Journal of Mechanical Sciences, 39 (1997) 249-268 https://doi.org/10.1016/S0020-7403(96)00022-7 [12] A Abdul-Latif, R Baleh, Z Aboura, Some improvements on the energy absorbed in axial plastic collapse of hollow cylinders, International Journal of Solids and Structures, 43 (2006) 1543-1560 https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2005.04.029 [13] Mathew M Multi-criteria decision-making method https://mathewmanoj.wordpress.com/multicriteria-decision-making/,truy cập ngày tháng năm 2019 [14] A.G Mamalis, D.E Manolakos, G.L Viegelahn, N.M Vaxevanidis, W Johnson, The inextensional collapse of grooved thin-walled cylinders of PVC under axial loading, International Journal of Impact Engineering, (1986) 41-56 https://doi.org/10.1016/0734-743X(86)90026-6 [15] A.Niknejad, M.M Abedi, G.H Liaghat, M Z Nejad, Prediction of the mean folding force during the axial compression in foam-filled grooved tubes by theoretical analysis, Materials & Design, 37 (2012) 144-151 https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.12.032 [16] M Guden, H Kavi, Quasi-static axial compression behavior of constraint hexagonal and squarepacked empty and aluminum foam-filled aluminum multi-tubes, Thin-Walled Structures, 44 (2006) 739-750 https://doi.org/10.1016/j.tws.2006.07.003 [17] A.Eyvazian, T.N.Tran, Hamouda AM, Experimental and theoretical studies on axially crushed corrugated metal tubes, International Journal of Non-Linear Mechanics, 101 (2018) 86-94 https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2018.02.009 417 ... Bài báo nghiên cứu ứng xử tính tin cậy chịu nén ống nhơm tròn có khơng có gân dọc Các gân dọc nhiều lượng riêng hấp thụ lớn Lực nén lớn (peak load) ống có gân lớn so với ống khơng có gân dọc Phương... cậy va đập ống lớn nhỏ thể Hình Cả hai loại ống thể đặc điểm giống bao gồm CFE, Fm SEA CFE, Fm SEA ống khơng có gân dọc cao so với ống có gân dọc dọc chúng thấp so với ống có gân dọc dọc Tuy nhiên,... nhiều nghiên cứu lĩnh vực để tìm mơ hình vật liệu cụ thể mà sử dụng cách khả thi ứng dụng khác nhằm nâng cao tính tin cậy va đập Trong báo này, nghiên cứu thực ống nhơm tròn với gân dọc chịu nén dọc