Μελέτη της αξονικής κατάρρευσης λεπτότοιχων δομικών στοιχείων ανοιχτής διατομής

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο του Τομέα Τεχνολογίας των Κατεργασιών της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΜΠ την περίοδο Μαρτίου 2011 έως τον Ιούλιο 2011. Σκοπός της είναι η μελέτη της κατάρρευσης λεπτότοιχων δοκιμίων ανοιχτής διατομής, τα οποία υπόκεινται σε αξονική στατική καταπόνηση και η σύγκριση των αποτελεσμάτων της διαδικασίας του πειραματικού και του υπολογιστικού μοντέλου. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στις εφαρμογές των δοκιμίων που μελετώνται και τους λόγους που έχουν οδηγήσει σε περεταίρω ανάλυση της αξονικής κατάρρευσης δοκιμίων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα θεωρητικά στοιχεία που εφαρμόζονται στην απορρόφηση ενέργειας από τις κατασκευές και ο βέλτιστος σχεδιασμός τους, καθώς και τα κριτήρια βάσει των οποίον θα γίνει επιλογή του δοκιμίου με την καλύτερη συμπεριφορά στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθενται γενικά στοιχεία θεωρίας για λεπτότοιχες κλειστές διατομές και στην συνέχεια για λεπτότοιχες ανοιχτές διατομές. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύεται το πειραματικό μέρος της εργασίας. Προσδιορίζονται όλα τα δεδομένα του πειράματος και καθορίζεται η γεωμετρία των δοκιμίων. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε στο LS-DYNA και τα δεδομένα για την διεξαγωγή του υπολογιστικού μέρους της εργασίας. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η σύγκριση πειράματος και προσομοίωσης με την παράθεση του διαγράμματος φορτίου- μετατόπισης και την απεικόνιση των φάσεων της κατάρρευσης. Ακολουθεί σχολιασμός των παραπάνω. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η σύγκριση πειράματος και προσομοίωσης όσον αφορά τα κριτήρια απορρόφησης ενέργειας και η επιλογή του καταλληλότερου. Στο όγδοο κεφάλαιο διατυπώνονται τα γενικά συμπεράσματα από την κατάρρευση των δοκιμίων κατά την πειραματική διαδικασία και το υπολογιστικό μοντέλο, καθώς και τα αίτια των αποκλίσεων των δύο διαδικασιών. Τέλος παρουσιάζεται η βιβλιογραφία με τις πηγές απ’ όπου αντλήθηκαν τα θεωρητικά μέρη της εργασίας, καθώς και το γνωστικό υλικό του αντικειμένου μας για περεταίρω αναζήτηση.

Crashworthiness study over different structures, which applies mainly in vehicles, has been developed in recent years focused in reducing the consequences to human. In experimental research, attempts are made to define theoretical design on the mechanics of collapse, providing to the engineers the ability of designing structures, in which the main part of collision energy is diffused while the structure itself deforms uniformly. This improvement must be achieved within certain constraints, such as reducing maximum load and structure mass while evading its failures. A feasible and widely known method is using thin-walled structures in strategic points over the total structure which will work as energy absorbing devices. However, forecasting collisions is a very complicated procedure where simultaneously many structural elements interact, causing severe nonlinear effects, thus making the detailed analysis and modeling extremely difficult.

In Chapter 1 crashworthiness is defined and various methods of achieving it in the design level of a system are analyzed. Some statistical data are projected concerning the need for passengers’ protection and the way those principals apply in such structures. Chapter 2 deals with thin-walled structures as absorbing energy devices. Specifically the most common defects that appear are categorized and the basic principles that govern them are presented. In Chapter 3 there are some theoretical information about thin-walled structures, closed and open sections. In Chapter 4,the experimental part of the study is presented and specifically the shape and size of structures that were tested and had their collapse behavior inspected. Chapter 5 is included the necessary for this essay, steps and equipment to fulfill the computer simulation using LS-DYNA. Furthermore, the 6th Chapter is included over the basic size of each specimen, its collapse process in steps and extensive comments over the results that arose in each occasion. In Chapter 7 the evaluation of the structures takes place using the criteria that were analysed in Chapter 2, in order to select the structure which is well behaved under axial compression. Finally in Chapter 8 there are the conclusions over the combined experimental and simulation results.