Σχεδιασμός τρισδιάστατα εκτυπωμένων βελτιστοποιημένων κοίλων διατομών από θλίψη

Abstract

Οι λεπτότοιχες κοίλες διατομές με μεγάλη λυγηρότητα εμφανίζουν ξεκάθαρη ευαισθησία σε τοπικό λυγισμό όταν καταπονούνται από θλιπτικές τάσεις. Με στόχο την αύξηση της φέρουσας ικανότητας και την ταυτόχρονη διατήρηση του εμβαδού της διατομής των κοίλων τετραγωνικών βραχέων υποστυλωμάτων ανοξείδωτου χάλυβα, η παρούσα εργασία αξιοποιεί παραμετρική διαδικασία καθορισμού της γεωμετρίας με σκοπό την τοπική ενίσχυση (υπό τη μορφή πτυχώσεων) των ευάλωτων περιοχών τέτοιων διατομών. Η απόδοση των διατομών με την προσθήκη πτυχώσεων συγκρίνεται με την απόδοση αντίστοιχων συμβατικών κοίλων τετραγωνικών διατομών. Συγκεκριμένα, αναζητούνται τα κατάλληλα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της διατομής, όπως είναι το πάχος συγκόλλησης, η θέση και το σχήμα των πτυχώσεων καθώς και το μήκος του κυματοειδούς τμήματος στην κεντρική περιοχή κάθε πλευράς. Πέραν από τη μοντελοποίηση του παραμετρικού σχεδιασμού της γεωμετρίας, εκτελούνται αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων για την προσομοίωση της μηχανικής απόκρισης των υπό εξέταση υποστυλωμάτων. Για την κατασκευή πρωτοτύπου των εξεταζόμενων δοκιμίων, χρησιμοποιείται η τεχνική Προσθετικής Κατασκευής με Σύρμα και Τόξο (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM), η οποία συνδυάζει τη χρήση ρομποτικού βραχίονα και συμβατικής μηχανής συγκόλλησης, επιτρέποντας την παραγωγή τρισδιάστατων μεταλλικών στοιχείων με πολύπλοκες γεωμετρίες. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν πως η προσθήκη πτυχώσεων στις ευάλωτες περιοχές σε συνδυασμό με τη μέθοδο WAAM, μπορούν να οδηγήσουν στην ενίσχυση της αντίστασης κοίλων τετραγωνικών διατομών έναντι τοπικού λυγισμού και να μειώσουν αποτελεσματικά την ευαισθησία των διατομών σε αρχικές γεωμετρικές ατέλειες, με αποτέλεσμα, τη σημαντική αύξηση της φέρουσας ικανότητας τους συγκριτικά με αντίστοιχες συμβατικές διατομές. Ενδεικτικές τιμές αύξησης της φέρουσας ικανότητας των υπό εξέταση διατομών φθάνουν το 33.2% έως 48.7% με 3.1% έως 7.6% αύξηση εμβαδού αντίστοιχα.

Thin-walled hollow sections with high slenderness exhibit a clear sensitivity to local buckling when subjected to compressive stresses. Aiming to increase the load-bearing capacity while maintaining the cross-sectional area of hollow square short columns made of stainless steel, this study utilizes a parametric process to define the geometry for local reinforcement (in the form of corrugations) of the vulnerable areas of such sections. The performance of the sections with added corrugations is compared to that of corresponding conventional hollow square sections. Specifically, the appropriate geometric characteristics of the section are sought, such as the weld thickness, the position and shape of the corrugations, and the length of the corrugated segment in the central area of each side. Beyond modeling the parametric design of the geometry, finite element analyses are conducted to simulate the mechanical response of the columns under examination. For the prototype construction of the examined specimens, the Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) technique is used, which combines the use of a robotic arm and a conventional welding machine, allowing for the production of three-dimensional metallic elements with complex geometries. The results demonstrate that the addition of corrugations in the vulnerable areas, combined with the WAAM method, can enhance the resistance of hollow square sections to local buckling and effectively reduce the sensitivity of the sections to initial geometric imperfections, resulting in a significant increase in their load-bearing capacity compared to corresponding conventional sections. Indicative values of the increase in load-bearing capacity of the examined sections range from 33.2% to 48.7% with a corresponding area increase of 3.1% to 7.6%.