Nghiên cứu thiết lập mô hình mô phỏng thí nghiệm nén vật liệu ở tốc độ cao sử dụng phương pháp áp lực súng bắn Hopkinson

Phương pháp thí nghiệm dựa trên nguyên lý áp lực súng bắn Hopkinson được sử dụng phổ biến trên thế giới để nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu ở tốc độ biến dạng rất cao. Trong nghiên cứu này, mô hình thí nghiệm nén hợp kim nhôm ở tốc độ rất cao dựa trên nguyên lý áp lực súng bắn Hopkinson được mô hình hóa và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thiết lập mô hình mô phỏng thí nghiệm nén vật liệu ở tốc độ cao sử dụng phương pháp áp lực súng bắn Hopkinson ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 21, NO. 3, 2023 33 NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU Ở TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ÁP LỰC SÚNG BẮN HOPKINSON A STUDY ON MODELLING AND SIMULATION OF IMPACT COMPRESSIVE TEST AT HIGH STRAIN RATE BASED ON SPLIT HOPKINSON PRESSURE BAR METHOD Phạm Thị Hằng*, Nghiêm Văn Vinh, Lê Quang Khải Trường Đại học Thủy Lợi1 *Tác giả liên hệ: pthang@tlu.edu.vn (Nhận bài: 06/01/2023; Chấp nhận đăng: 13/3/2023) Tóm tắt - Phương pháp thí nghiệm dựa trên nguyên lý áp lực súng Abstract - The impact test based on split Hopkinson pressure bar bắn Hopkinson được sử dụng phổ biến trên thế giới để nghiên cứu technique is widely applied over the world to investigate the ứng xử cơ học của vật liệu ở tốc độ biến dạng rất cao. Để phát triển mechanical properties of materials at relatively high strain rate. mô hình thí nghiệm này ở Việt Nam, rất cần có những nghiên cứu In order to develop the model of this testing method in Vietnam, thiết kế hệ thống thí nghiệm và được kiểm nghiệm bằng các kết quả an investigation on finite element analysis is necessary to mô phỏng để có phương án thiết kế tối ưu. Trong nghiên cứu này, mô optimize the arrangement of testing apparatus. In this study, the hình thí nghiệm nén hợp kim nhôm ở tốc độ rất cao dựa trên nguyên impact compressive test based on split Hopkinson pressure bar lý áp lực súng bắn Hopkinson được mô hình hóa và mô phỏng bằng method is modelled and simulated by finite element method. The phương pháp phần tử hữu hạn. Ảnh hưởng của kích thước mẫu thử effect of dimensions of specimen on the stress wave signals is được xem xét qua các kết quả biểu đồ sóng thu được từ mô phỏng. examined. The obtained results show that, better results of stress Các kết quả cho thấy, tín hiệu sóng tốt hơn, đạt được cân bằng giữa wave can be seen in the case that the diameter of the specimen is sóng tới với sóng truyền và sóng phản hồi khi đường kính mẫu thử about half of the length of the specimen. Moreover, the ossillation chỉ bằng một nửa so với chiều dài. Đồng thời, trường hợp đường kính of stress wave signals deceases by using smaller specimen. mẫu thử nhỏ cũng cho kết quả tín hiệu sóng ít nhiễu hơn. Từ khóa - Cơ học vật liệu; thí nghiệm nén; phương pháp áp lực Key words - Mechanical properties; compressive impact test; súng bắn Hopkinson; mô phỏng phần tử hữu hạn. split-Hopkionson-pressure-bar method; finite element analysis. 1. Đặt vấn đề biệt là đường cong mối quan hệ ứng suất-biến dạng [7]. Thông thường, các đặc trưng cơ học của vật liệu như Trong khi đó, thí nghiệm động học tải trọng rơi hoặc mô đun đàn hồi, độ bền, độ dẻo… được xác định bởi thí phương pháp tấm nổ chỉ cung cấp thông tin định tính hơn nghiệm kéo đúng tâm trên thiết bị thử cơ tính kéo-nén là định lượng. truyền thống. Tuy nhiên, thí nghiệm này chỉ giới hạn Thí nghiệm áp lực súng bắn Hopkinson yêu cầu thiết kế nghiên cứu vật liệu trong điều kiện tải trọng tĩnh ở vùng rất cẩn thận để tạo ra kết quả thí nghiệm chính xác và có tốc độ biến dạng thấp trong khoảng 0,001 s-1 đến 10 s-1. thể lặp lại kết quả. Thiết kế của thí nghiệm phải được sửa Trong khi đó, thực tế có nhiều trường hợp, đặc biệt khi đổi dựa trên loại vật liệu được thử nghiệm và đặc tính của chịu tác động của va chạm mạnh, vật liệu sẽ biến dạng vật liệu. Do đó, thông thường thí nghiệm áp lực súng bắn trong điều kiện tải trọng động với tốc độ biến dạng của Hopkinson được thiết kế riêng biệt cho một loại biến dạng vật liệu có thể đạt 100 s-1 đến 10000 s-1 [1]. Trong điều cụ thể. Có rất ít thiết bị thí nghiệm này thương mại sẵn có, kiện tải trọng động, ứng xử cơ học của vật liệu có thể rất hoặc các thiết bị thương mại có giá thành rất cao. Chính vì khác khi vật liệu ở điều kiện tải trọng tĩnh. Một trong vậy, để phát triển mô hình thí nghiệm nghiên cứu tính chất những phương pháp nghiên cứu tính chất cơ học vật liệu cơ học của vật liệu ở tốc độ biến dạng rất cao ở Việt Nam, ở tốc độ biến dạng rất cao là phương pháp áp lực súng bắn rất cần có những nghiên cứu thiết kế hệ thống thí nghiệm Hopkinson. Dạng thí nghiệm này đầu tiên được thiết lập và được kiểm nghiệm bằng các kết quả mô phỏng để có bởi nhà nghiên cứu Hopkinson [2], sau đó được hoàn phương án thiết kế tối ưu. thiện bởi Kolsky [3] để nghiên cứu tính chất cơ học vật Nhiều nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm vật liệu ở tốc liệu khi chịu nén. Mô hình Kolsky được sử dụng phổ biến độ biến dạng cao dựa trên nguyên lý áp lực súng bắn ngày nay, trong đó thành phần chính bao gồm có thanh va Hopkinson đã được thực hiện. Ramírez và cộng sự [8] đập, thanh áp suất đầu vào và thanh áp suất đầu ra, mẫu đã nghiên cứu lựa chọn kích thước các thanh áp suất của thí nghiệm được kẹp giữa hai thanh áp suất. Dựa trên mô hình thí nghiệm Hopkinson khi nén vật liệu dẻo và nguyên lý của Kolsky, các thiết kế sau này tiếp tục được vật liệu giòn. Ảnh hưởng của ma sát giữa bề mặt tiếp xúc sửa đổi để thực hiện thí nghiệm vật liệu khi chịu kéo, mẫu thí nghiệm và các thanh áp suất được nghiên cứu xo ...