Dynamic Behavior of Materials, Volume 1
Proceedings of the 2023 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics
- 2024
- Buch
- Herausgegeben von
- Veronica Eliasson
- Paul Allison
- Phillip Jannotti
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Dynamic Behavior of Materials, Band 1 der Proceedings of the 2023 SEM Annual Conference & Exposition on Experimental and Applied Mechanics, der erste von sieben der Konferenz, versammelt Beiträge zu diesem wichtigen Bereich der Forschung und Technik. Die Sammlung präsentiert frühe Ergebnisse und Fallstudien zu grundlegenden und angewandten Aspekten der Experimentellen Mechanik, darunter Aufsätze zu: Synchrotronanwendungen / Advanced Dynamic ImagingQuantitative Visualisierung dynamischer EreignisseNeuartige ExperimentaltechnikenDynamisches Verhalten von GeomaterialenDynamisches Versagen und FragmentierungDynamische Reaktion von Materialien mit geringer Impedanz Hybrid Experimental / Computational StudiesShock and Blast LoadingAdvances in Material ModelingIndustrial Applications
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Über dieses Buch
Dynamic Behavior of Materials, Volume 1 of the Proceedings of the 2023 SEM Annual Conference & Exposition on Experimental and Applied Mechanics, the first volume of seven from the Conference, brings together contributions to this important area of research and engineering. The collection presents early findings and case studies on fundamental and applied aspects of Experimental Mechanics, including papers on:
Synchrotron Applications/Advanced Dynamic Imaging
Quantitative Visualization of Dynamic Events
Novel Experimental Techniques
Dynamic Behavior of Geomaterials
Dynamic Failure & Fragmentation
Dynamic Response of Low Impedance Materials
Hybrid Experimental/Computational Studies
Shock and Blast Loading
Advances in Material Modeling
Industrial Applications
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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A Data Processing Approach for Kolsky Bar Experiments on Metallic Samples
Andrew R. Roginski, Cody D. Kirk, Weinong W. ChenDas Kapitel stellt einen Datenverarbeitungsansatz für Kolsky-Bar-Experimente vor, die für das Verständnis der mechanischen Reaktionen von Materialien unter unterschiedlichen Dehnungsraten von entscheidender Bedeutung sind. Sie konzentriert sich auf den traditionellen Aufbau der Kolsky-Bar und die grundlegenden Gleichungen, die sich aus dem dynamischen Gleichgewicht und Hookes Gesetz ableiten. Der Autor betont, wie wichtig es ist, die Annahmen zu berücksichtigen, die während analytischer Derivate gemacht wurden, um irreführende Ergebnisse zu vermeiden. Das Hauptziel besteht darin, eine Methode zu entwickeln, die populäre Korrekturmethoden der letzten 70 Jahre einbezieht, darunter Datenglättung, Balkeneindruckkorrektur, Wellendispersionsmethoden und Pulserkennung. Das Kapitel beleuchtet die Verwendung des Savitzky-Golay-Filters zur Pulserkennung und der Love-Stab-Frequenzmethode zur Wellendispersionskorrektur. Diese Methoden zielen darauf ab, die Eingaben des Anwenders zu minimieren und genaue Dehnungs-, Dehnungs- und Belastungsmessungen zu liefern. Das Kapitel schließt mit der Darstellung der Optimierung der Pulsausrichtung und der Kraftgleichgewichtsgeschichte, wobei weitere Vergleiche aller Korrekturmethoden präsentiert werden sollen. Diese Arbeit ist insbesondere für diejenigen relevant, die die Genauigkeit mechanischer Messungen in dynamischen Kompressionsexperimenten verbessern wollen.KI-Generiert
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AbstractThe split Hopkinson pressure bar (Kolsky bar) is an experimental tool that has been used to characterize materials at intermediate to high strain rates since 1949. Since the genesis of this method, several investigations into the validity of the data have led to general conclusions regarding the nuances of the method that affect the outcome of the data. The goal of this work is to review the sources of error for the Kolsky bar method and implement physically driven solutions that help to aid in the standardization of processing experimental Kolsky bar data. Correction methods for longitudinal wave dispersion in both tension and compression configurations are implemented using the analytical solutions by Pochhammer and Chree, the frequency domain method by Gorham and Follansbee and Frantz, and a special implementation of spectral analysis by James F. Doyle. Other corrections include a novel pulse detection method and strain correction due to elastic punching (compression). -
High-Rate Ductile Fracture of Al 7075 Alloy at a Range of Stress Triaxialities
Christopher S. Meredith, Daniel J. Magagnosc, Jeffrey T. LloydDas Kapitel untersucht das dynamische Bruchverhalten der Legierung Al 7075-T651, die hohen Dehnungsraten und unterschiedlichen Spannungstriaxialitäten ausgesetzt ist. Anhand eines Kolsky-Balkens mit Minispannung untersuchen die Autoren den Einfluss der Probengeometrie und -lage innerhalb einer 30 mm dicken Platte auf das Bruchverhalten. Die Studie zeigt deutliche Bruchverhalten zwischen der Mittelebene und der Oberfläche der Platte, was die Bedeutung der Berücksichtigung der heterogenen Mikrostruktur bei Anwendungen mit hoher Dehnungsrate bei duktilen Frakturen unterstreicht. Die experimentellen Verfahren und Ergebnisse werden akribisch dokumentiert und liefern wertvolle Daten für die weitere Forschung und praktische Anwendung in Branchen, die robuste Materialien unter extremen Bedingungen benötigen.KI-Generiert
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AbstractEngineering materials are intrinsically heterogeneous owing to their processing history. For heat-treatable lightweight aluminum alloys, e.g., 7XXX alloys, the fracture behavior is governed by the size and distribution of second-phase particles. Modern empirical and micro-mechanically motivated computational failure models used for ductile fracture calculations do not include spatially heterogeneous microstructural information in any meaningful manner, despite recent significant advances in high-throughput, three-dimensional in-situ and ex-situ characterization techniques. Our hypothesis is that direct numerical simulations of particle-initiated failure, which will be informed by advanced testing and characterization, will provide the most realistic prediction of failure to date. This paper will focus on high-rate ductile fracture experiments using the mini-tension Kolsky bar with sample geometries that induce a wide range of stress triaxialities—from pure shear to plane strain tension. Samples are cut from near the surface and at the midplane of a thick plate because the size and distribution of the second-phase particles, and the texture of the matrix Al, are different at these locations. Deformation of the different geometries is recorded at 1 mfps, where the total loading time is approximately 100 μs. The experiments show there is a clear difference in the flow response between the two locations, but a clear strain to failure difference is not clear from these initial experiments. -
High Strain Rate Tests by a 90 m Long Tension-Torsion Hopkinson Bar
Marco Sasso, Edoardo Mancini, Gianluca Chiappini, Mattia Utzeri, Dario AmodioIn diesem Kapitel wird ein innovatives Hopkinson-Stangensystem vorgestellt, das für Tests mit hoher Dehnungsrate entwickelt wurde, indem es Spannung und Torsion kombiniert. Der 90 Meter lange Balken erzeugt und synchronisiert Dehnungs- und Drehwellen und ermöglicht so die Untersuchung des Materialverhaltens unter multiaxialen Belastungsbedingungen. Die Konstruktion des Geräts gewährleistet praktische technische Anwendungen mit der Fähigkeit, hohe Dehnungen und Torsionen zu erreichen, was es zu einem bedeutenden Fortschritt im Bereich der Werkstoffprüfung macht. Das einzigartige Funktionsprinzip des Systems beinhaltet die Freisetzung einer vorgespannten Stange, um Wellen zu erzeugen, wobei die Dehnungswelle eine längere Strecke zurücklegt, um sich mit der Torsionswelle zu synchronisieren. Das Kapitel beschreibt die Konstruktionsanforderungen, die Instrumentierung und die ersten Tests, die an einer Aluminiumprobe durchgeführt wurden, und hebt das Potenzial für eine genaue Bestimmung der Materialspannungs-Dehnungskurve hervor. Die große Gesamtlänge des Systems und seine präzise Wellensynchronisation machen es zu einem herausragenden Werkzeug für die fortschrittliche Materialforschung.KI-Generiert
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AbstractThis work describes the design, construction, and first experimental results of an innovative device of the Hopkinson bar type with a length of 90 m for performing high strain rate tests on metals in a combined tension-torsion state.Analogously to the classic split Hopkinson bar technique, the system configuration consists of three bars: a pre-stressed bar, an input bar, and an output bar; the measurement is also based on the classical three-wave method, where the incident, transmitted, and reflected waves are measured. The length of the bars is designed so that the tensile wave reaches the sample from the output bar side at the same time as the torsion wave comes from the input bar. A successful test has been conducted on a hollow aluminum sample; it has been possible to measure the tension-torsion stress-strain curves; in addition, the dynamic equivalent stress-equivalent strain curves have been evaluated. -
Rate Dependence of Penetration Resistance in a Cohesive Soil
Sophia R. Mercurio, Stephan Bless, Abdelaziz Ads, Mehdi Omidvar, Magued IskanderDas Kapitel untersucht die Abhängigkeit der Durchdringungsresistenz in kohäsiven Böden, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Vorhersage der Vergrabungstiefe von Blindgängern (Blindgängern) in ehemaligen Verteidigungsanlagen liegt. Es verwendet das Poncelet-Gerüst, um das Eindringen zu analysieren und definiert den Eindringwiderstand als die Kraft, die dem Eindringen widersteht, geteilt durch den Eindringbereich. Die Studie untersucht, wie der Penetrationswiderstand von Poncelet mit der Dehnungsrate variiert, die proportional zur Penetrationsgeschwindigkeit dividiert durch den Projektildurchmesser ist. Um den Zusammenhang zwischen Scherfestigkeit und Eindringfestigkeit bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu verstehen, wurden separate Messungen der Druckfestigkeit in Abhängigkeit von der Dehnungsrate mittels uneingeschränkter Drucktests durchgeführt. Hochgeschwindigkeits-Penetrationsexperimente wurden mit einer vertikal feuernden Luftpistole durchgeführt, während Kegelpenetrationstests (CPT) zur Messung des Penetrationswiderstandes bei niedrigen Geschwindigkeiten eingesetzt wurden. Das Kapitel präsentiert experimentelle Ergebnisse dynamischer Penetrationstests, die Übereinstimmung in Geschwindigkeitszeitaufzeichnungen und integrierten Geschwindigkeitspenetrationsdaten zeigen. Die Analyse schränkt die Werte des Poncelet-Widerstandskoeffizienten und der Penetrationsresistenz stark ein und unterstreicht die Bedeutung der Dehnungsrate für das Verständnis der Penetrationsdynamik.KI-Generiert
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AbstractPenetration resistance of soils is described in a Poncelet framework in which it is due to the sum of an inertial drag term and a strength-related bearing stress. The problem addressed in this paper is how to determine the Poncelet bearing stress from a conventional cone-penetrometer test (CPT). For the case of a particular saturated sandy clay, it is shown that strength has an exponential dependence on strain rate, determined from unconfined compression experiments, which can be used to account for the difference in strength between a CPT carried out at 0.02 m/s and the strength resisting projectiles traveling impacting at 140–200 m/s. With that correction, the CPT tip resistance can be taken as the Poncelet strength. -
Characterization of Shale Structure Subjected to Two Different Loading Rate Conditions
Achyuth Thumbalam Guthai, Ali F. Fahem, Kyle R. Messer, Raman P. SinghDieses Kapitel vertieft sich in die Charakterisierung der Schieferstruktur, die unterschiedlichen Belastungsraten unterliegt, wobei der Schwerpunkt auf dem Wolfcamp-Schiefer aus dem Delaware-Becken liegt. Die Studie untersucht sowohl quasistatische als auch dynamische elastische Schüttgutmodule, Zug- und Druckfestigkeiten innerhalb und senkrecht zu den Lagerebenen. Mithilfe fortschrittlicher experimenteller Methoden wie dem Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) und der digitalen Bildkorrelation (DIC) zeigen die Forschungen, dass Schiefer transversal isotrope Reaktionen und geschwindigkeitsempfindliche mechanische Eigenschaften aufweist. Die Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf praktische Anwendungen im Bergbau, im geotechnischen Engineering und in der Erdölförderung, wo das Verständnis der dynamischen Festigkeit und der elastischen Eigenschaften von Gesteinen von entscheidender Bedeutung ist.KI-Generiert
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AbstractHydraulic fracturing is an important technique to produce oil and gas through the stimulation of unconventional hydrocarbon reservoirs, typically shale deposits. Quantifying elastic properties of bi-modulus shale under static and dynamic loading in different orientations is consequential. The in-situ bulk modulus of Wolfcamp shale is tested at two different loading rates. First, a universal testing machine was used for a quasi-static uniaxial compression test of a Brazilian disk, and then SHPB was utilized for a dynamic compressive load. Far-field loading data and local full-field deformation are used to calculate the physical properties through the linear elastic model. Static and dynamic mechanical properties of shales, such as elastic bulk modulus, compressive and tensile strength, were analyzed in two bedding orientations. The full experimental results are shown in detail, and in general, the elastic properties of shale under parallel and normal bedding conditions are different, as well as the static and dynamic in-situ elastic modulus are different. -
In-Situ Mesoscale Characterization of Dynamic Crack Initiation and Propagation Using X-Ray Phase Contrast Imaging
Andrew F. T. Leong, Bryan Zuanetti, Milovan Zecevic, Kyle J. Ramos, Cindy A. Bolme, Christopher S. Meredith, John L. Barber, Marc J. Cawkwell, Brendt E. Wohlberg, Michael T. McCann, Todd C. Hufnagel, Pawel M. Kozlowski, David S. MontgomeryDieses Kapitel befasst sich mit der mesoskaligen Charakterisierung der dynamischen Rissinitiierung und -ausbreitung im Einkristallquarz mittels Röntgenphasenkontrastbildgebung (XPCI). Durch den Einsatz eines maßgeschneiderten Kolsky-Balkens und Synchrotronröntgenstrahlung verfolgen und quantifizieren die Autoren das Wachstum von Mikrorissen bei uniaxialer Kompression mit hoher Dehnungsrate. Ein wichtiger Beitrag hierzu ist die Entwicklung eines physik-basierten statistischen Rissmodells XPCI, das dabei hilft, den Gesamtschaden zu quantifizieren und mikromechanische Schadensmodelle zu validieren. Die Studie untersucht auch den Einfluss der Oberflächenrauheit auf das Materialversagen und enthüllt unerwartete Ergebnisse, die die gängige Meinung in Frage stellen. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion zukünftiger Forschungsrichtungen, einschließlich der quantitativen Validierung des Crack-Modells und der potenziellen Wiederherstellung der Rissgrößenverteilung aus XPCI-Bildern.KI-Generiert
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AbstractPredicting and controlling the failure of brittle materials against impacts have important applications in defense, mining, and medicine. To that end, the key is understanding at the mesoscale the events of crack initiation, propagation, branching, multiple crack interactions, and coalescence. Therefore, we developed an x-ray phase contrast imaging-based technique to directly visualize and quantify the cracking process. We chose to test our technique on single-crystal quartz because it has well-defined material and mechanical properties which computational models can use to accurately simulate the cracking process. Also, quartz serves as an ideal model material to developing experimental techniques/analysis and high-fidelity damage models for energetic materials and heterogenous geomaterials. To achieve the micron and nanosecond resolution required to resolve and track cracks in real-time, we use the high brilliance, spatially coherent synchrotron source at the Dynamic Compression Sector (Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory) and the 8-frame LANL/DCS detector system coupled to a 150-μm thick single crystal LYSO scintillator. Quartz samples are uniaxially compressed at 103–104 s−1 strain rates with a custom-built Kolsky bar and stress-strain histories are measured using PDV probes. To characterize the evolving crack morphology, a physics-based inverse model is developed that converts the phase contrast-enhanced image intensity of the cracks into crack volume orientation distributions inside the sample. Using this model, we study how sample surface finish affects the dynamic behavior of cracks. -
Nose Shape Effects from Projectile Impact and Deep Penetration in Dry Sand
J. Dinotte, L. Giacomo, S. Bless, M. Iskander, M. OmidvarDas Kapitel untersucht die Auswirkungen der Form der Projektilnase auf die Durchdringungsresistenz im trockenen Sand, ein Thema, das für militärische und verteidigungstechnische Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Mithilfe eines hochmodernen vertikalen ballistischen Bereichs führten die Autoren Experimente mit konischen und stumpfen Projektilen durch, die in dicht gepackte Sandziele abgefeuert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Nasenschärfe die maximale Verlangsamung und Eindringtiefe signifikant beeinflusst, wobei schärfere Nasen weniger Verlangsamung und ein tieferes Eindringen erfahren. Die Studie hebt auch die Bildung einer falschen Nase während des Eindringens hervor, die die ursprüngliche Nasenform unbedeutend machen kann. Die Autoren verwenden Photonische Doppler-Velocimetrie für hochpräzise Geschwindigkeitsmessungen und entwickeln einen inkrementellen Modellierungsansatz, um die Penetrationsdynamik besser vorherzusagen. Dieser Ansatz, der den sich ändernden Querschnitt des Projektils während der Penetration berücksichtigt, zeigt eine verbesserte Genauigkeit gegenüber herkömmlichen Modellen. Das Kapitel bietet wertvolle Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen zwischen Projektilgeometrie und Bodenmechanik und ist daher für Spezialisten der Ballistik, des geotechnischen Ingenieurwesens und verwandter Fachgebiete eine Pflichtlektüre.KI-Generiert
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AbstractThe goal of this study was to demonstrate the role of nose shape on the embedment phase of long rod projectiles penetrating densely packed sand targets. Conical nose projectiles having various apex angles were launched into sand targets at an impact velocity of approximately 200 m/s. A vertical firing range was designed and calibrated for launching projectiles with a diameter of 14.3 mm. Aluminum rod projectiles with conical nose apex angles ranging from 30 to 180° were tested. Soil targets were prepared by means of dry pluviation. Velocity-time histories were resolved using a photon Doppler velocimeter (PDV). High-fidelity velocity-time histories were obtained through measurement of the frequency shift in the laser light wave reflecting from the back of the projectile. Highly reflective retroreflective tape was applied to the back of the projectiles to enhance the intensity of the reflected light. Optical probes were used to collect the reflected light. The results of the experiments revealed that both the magnitude of the peak deceleration and the depth corresponding to peak deceleration were a function of the nose shape. A decrease in the apex angle of a conical projectile led to a reduction in the peak deceleration, with the resulting peak stress occurring later in penetration for projectiles with smaller apex angles. Upon impact on the soil target surface, a near conical-shaped mass of compacted comminuted sand formed on the nose of the projectiles tested. These observations can be used to improve predictions of projectile depth of burial in phenomenological modeling of penetration and depth of burial. -
A Novel Specimen Design for Multiaxial Loading Experiments at High Strain Rates
Yuan Xu, Govind Gour, Julian Reed, Antonio PellegrinoDas Kapitel untersucht die Entwicklung eines neuartigen Probendesigns für multiaxiale Belastungsexperimente mit hohen Dehnungsraten und adressiert die Herausforderungen, die von bestehenden Geometrien ausgehen. Sie führt das "Bandmuster" ein, das die Vorteile von Hundeknochen und dünnwandigen Rohrkonstruktionen kombiniert und sich somit sowohl für Zug- als auch für Torsionsbelastungen eignet. Die Studie untersucht den progressiven Versagensprozess von kommerziell reinem Titan, das hoher Spannung, Torsion und kombinierter Belastung ausgesetzt ist, anhand von quasi-statischen und Hochleistungsexperimenten. Die Ergebnisse heben das einzigartige Deformations- und Bruchverhalten der Bandprobe hervor und liefern wertvolle Erkenntnisse über die Reaktion des Materials unter komplexen Belastungsbedingungen. Das Kapitel schließt mit der Diskussion zukünftiger Arbeiten, einschließlich Post-Mortem-Untersuchungen und numerischer Simulationen zur weiteren Validierung des Designs der Ligamentenpräparate.KI-Generiert
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AbstractA specimen geometry that has four flat dog bones circumferentially arranged around the axis of the sample is proposed for combined tensile-torsional loading experiments. Finite-element modelling was implemented to optimise the design and achieve appropriate deformation and failure in both tensile and torsional loading conditions. The capability of the proposed specimen configuration is demonstrated via an experimental campaign on commercially pure titanium at various strain rates. The quasi-static tests were conducted using a universal screw-driven testing machine, whereas the high-rate experiments were carried out on an in-house designed combined tension-torsion Hopkinson bar system. A wide range of stress states were obtained using the ligament specimen, covering uniaxial tension, shear, and different combinations of tension and shear. Three distinct failure modes of the ligament specimens subjected to monotonic tension, monotonic torsion, and combined tension-torsion loading at high strain rates are presented and discussed. The quasi-static and high-rate ultimate stress loci will be constructed using direct experimental measurements to assess the strain rate sensitivity of the material. -
Investigation and Characterization of Dynamic Energy Absorbed by Shale Materials
Ali F. Fahem, Achyuth Thumbalam Guthai, Kyle R. Messer, Raman P. SinghDieses Kapitel untersucht die dynamischen Energieabsorptionseigenschaften von Schiefermaterialien, ein entscheidender Aspekt für das Verständnis ihres Verhaltens unter Druckbelastungswellen. Mithilfe eines standardmäßigen Hopkinson-Druckbalkens (SHPB) untersucht die Studie die mechanischen Eigenschaften und Schädigungsmechanismen von Schieferproben aus Oklahoma, USA. Die Forschung konzentriert sich auf die Energieaufnahme in zwei wesentliche Materialrichtungen: längs (0 °) und quer (90 °). Die Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede in der Energieaufnahme, die auf der Orientierung der Proben beruhen, wobei eine höhere Energieaufnahme beobachtet wird, wenn die Belastung parallel zu den Lagerschichten verläuft. Diese Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse über die dynamischen Schäden von Schiefer und trägt zu Fortschritten in Branchen bei, die auf das Verständnis des Verhaltens dieser Materialien unter dynamischen Belastungsbedingungen angewiesen sind.KI-Generiert
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AbstractThis work investigates the dynamic energy absorbed by a shale material, which is generally classified as transversely isotropic, as a function of bedding orientations using experimental and analytical analysis. Experimentally, circular disks or Brazilian specimens of shale are tested under a high-impact diametral compression load in the split Hopkinson pressure bar, SHPB. Analytically, fundamentals of uniaxial stress and elastic wave propagation theory are utilized to derive the dynamic energy absorbed by the material. Thus, the experimental output data is used as input to the analytical damage model. The model was applied to two different orientations of shale related to the bedding directions. The experimental setup and the analytical analysis are presented. In general, results display a significant difference in the total absorbed energy and peak values that are required for exciting and increasing the cumulative micro and macro cracks in shale. The average strain and local energy results are presented and discussed. -
Dynamic Fracture Characteristics of Cyanoacrylate Weakened Planes in Polycarbonate Material
Kyle R. Messer, Achyuth Thumbalam Guthai, Ali F. Fahem, Raman P. SinghDas Kapitel untersucht die dynamischen Brucheigenschaften von durch Cyanacrylat geschwächten Ebenen in Polycarbonat-Material, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung der Effizienz der Schieferölförderung liegt. Zunächst werden die vorherrschende Verwendung von Polymeren auf Erdölbasis und die Herausforderungen bei der Schieferölförderung aufgrund von Porosität und Kapillarkräften diskutiert. Die Forschung zielt darauf ab, dynamische Brucheigenschaften mit einem Modellmaterial, Polycarbonat und einer Cyanacrylat-geschwächten Ebene zu charakterisieren, wobei Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) und Digital Image Correlation (DIC) -Techniken zum Einsatz kommen. Die Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, diese Merkmale zu verstehen, um die Effizienz und Produktivität der Förderung zu verbessern. Die Methodik umfasst die Probenvorbereitung, den Versuchsaufbau und die DIC-Analyse zur Messung lokaler Verschiebungen und zur Berechnung der Bruchzähigkeit. Der Ergebnis- und Diskussionsbereich präsentiert Proben nach dem Bruch und Spannungswellendaten, die zeigen, wie unterschiedliche Winkel abgeschwächter Ebenen die Bruchzähigkeit beeinflussen. Die Schlussfolgerung fasst die Ergebnisse zusammen und betont den signifikanten Einfluss abgeschwächter Flächenwinkel auf die Bruchzähigkeit und das Potenzial verbesserter Extraktionstechniken.KI-Generiert
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AbstractWeakened plane fracture has been an interesting topic for understanding unconventional oil extraction. Thus, the dynamic fracture characteristics of weakened planes are studied experimentally to investigate the failure mechanism when exposed to stress waves at varying angles. A split-Hopkinson pressure bar (SHPB) and digital image correlation (DIC) are used to test a range of cyanoacrylate-weakened plane specimens that are created between the two-polycarbonate sheet. The weakened plane specimens are made with different inclined angles. Theoretically, a crack surface displacement method using various angles, (β), and crack tip opening displacements are shown to identify the dynamic stress intensity factors of opening-mode KI(t), and in-plane shear mode KII(t). The SHPB is dynamically loaded to fracture the specimen while full-field strains are recorded using digital image correlation, and the data is imputed to the crack surface displacement formulas. A fracture envelope containing θ = 15°, 30°, 45°, and 60° angles is created, and the result of mode I, mode II, and mixed-mode (I/II) are discussed, and the major mode of each inclined angle is identified. -
Modal Verification and Thermal-Fluid-Structure Coupled Analysis of Centrifugal Impeller
Po-Wen Wang, Chang-Sheng LinDas Kapitel vertieft sich in den komplizierten Prozess der modalen Verifikation und gekoppelten Analyse von Zentrifugalrädern, wesentlichen Komponenten in Zentrifugalkompressoren. Er beleuchtet die Herausforderungen bei der Messung dynamischer Eigenschaften unter Betriebsbedingungen und die Notwendigkeit von computergestütztem Engineering (CAE) für die Simulation. Die Studie integriert aerodynamische, thermische und Zentrifugallasten, um die Festigkeit und die dynamischen Eigenschaften des Laufrads mittels ANSYS zu bewerten. Experimentelle Modalanalyse wird eingesetzt, um die Zuverlässigkeit von Finite-Elemente-Modellen zu überprüfen, wobei das Modal Assurance Criterion (MAC) zur Quantifizierung der Konsistenz zwischen den Modusformen verwendet wird. Der Aufsatz präsentiert außerdem ein detailliertes Rechenmodell, einschließlich Strömungsdynamik und Strukturanalyse, und diskutiert die Ergebnisse modaler Tests und Verifikationen. Die Schlussfolgerungen betonen die Bedeutung gekoppelter Belastungsbedingungen und die Validierung von Finite-Elemente-Modellen durch experimentelle Daten.KI-Generiert
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AbstractThe topic of this article is to investigate mechanical behaviors and dynamic characteristics under working conditions. The verification of finite element model (FEM) performed by experimental modal analysis (EMA) is discussed. The finite volume model (FVM) is established to analyze the aerodynamic and thermal effects under working conditions by computational fluid dynamics (CFD). With the consideration of loading conditions coupled with the results of CFD, the deformation, stress distribution, and modal parameters of the impellers are estimated by finite element analysis (FEA). To verify the reliability of FEM of the fluid-thermal-structure coupled analysis, modal verification is employed to ensure the consistency between the FEM and the actual structure. The modal assurance criterion (MAC) is applied as an indicator to quantify the consistency of mode shapes. In coupled stress analysis. The results show that the centrifugal load is the main factor of stress concentration, and the corresponding location of maximum stress is on the center of the impeller. In coupled modal analysis, the centrifugal force is also sensitive to the change of dynamic characteristics, however, only obviously influences the natural frequency of structures. -
Multiaxial Failure Stress Locus of a Polyamide Syntactic Foam at Low and High Strain Rates
Yuan Xu, Yue Chen, Antonio PellegrinoDas Kapitel untersucht die dynamischen mechanischen Eigenschaften und das Versagensverhalten syntaktischer Polyamid-Schaumstoffe unter verschiedenen Belastungszuständen und Dehnungsraten. Es stellt einen neuartigen Hopkinson-Riegel (TTHB) vor, der Zug- und Drehspannungswellen erzeugt und reale Aufprallszenarien simuliert. Die Studie zeigt eine signifikante Abhängigkeit der Fehlerhülle von Dehnungsrate und Temperatur auf und hebt eine beobachtbare Asymmetrie zwischen Druck und Spannung und eine Empfindlichkeit gegenüber den angewandten Spannungsverhältnissen hervor. Diese Ergebnisse tragen zur Beurteilung bestehender Versagenskriterien und zur Entwicklung neuer grundlegender Modelle für diese leichten Materialien bei, die für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und in der Marine unverzichtbar sind.KI-Generiert
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AbstractThe mechanical response of a polyamide syntactic foam under combined tension-torsion loading is measured experimentally at quasi-static (10−3 s−1) and high rates of strain (103 s−1). The dynamic experiments were conducted on a newly developed tension-torsion Hopkinson bar (TTHB) equipped with high-speed photography equipment. Quasi-static experiments were carried out using a universal screw-driven machine. The multiaxial high-rate experiments demonstrate the ability to achieve synchronization of longitudinal and shear stress waves upon loading of the specimen. The capacity to achieve force and torque equilibrium under combined loading on materials characterized by relatively low-stress wave propagation velocities is also demonstrated. Approximately constant strain rate conditions were attained. The failure envelope of the polyamide foam studied was analyzed over a wide range of stress states including pure torsion, shear-dominated combined tension-shear, tension-dominated combined tension-shear, and plain tension.Additional low rate and dynamic experiments in tension, compression, and torsion were conducted at higher than ambient and sub-ambient temperature conditions using bespoke temperature conditioning equipment, to assess the temperature dependence of the material.The multiaxial failure stress locus was constructed in the normal versus shear stress space as well as in the principal stress space from experiments conducted at low and high rates of strain. The failure stress locus of a polymer syntactic foam and its rate and temperature dependence are presented for the first time. The newly developed TTHB apparatus allows for the direct measurement of the failure stress locus of lightweight materials and therefore for the evaluation of existing failure criteria. -
Practical Considerations for High-Speed DIC
Phillip Jannotti, Nicholas Lorenzo, Samantha CunninghamDas Kapitel vertieft die praktischen Aspekte der Hochgeschwindigkeits-Prüfung digitaler Bildkorrelation (DIC) und konzentriert sich dabei auf die Beschränkungen und die Robustheit verschiedener Musterungstechniken unter dynamischen mechanischen Prüfbedingungen. Es bewertet die Leistung temporärer Tätowierungen und Sprühlackmuster auf Verbundplatten und Metallplatten, die einer Stoßbelastung ausgesetzt sind. Die Studie verwendet photonische Doppler-Velocimetrie (PDV), um direkte und objektive Hinweise auf ein Musterversagen zu liefern, die die DIC-Analyse ergänzen. Die Ergebnisse bieten wertvolle Einblicke in die Eignung verschiedener Musterungsmethoden, die darauf abzielen, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Hochgeschwindigkeits- und Ultra-Hochgeschwindigkeits-DIC-Prüfungen in der Werkstoffwissenschaft und im Ingenieurwesen zu verbessern.KI-Generiert
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AbstractDigital image correlation (DIC) is an imaging technique that enables full-field measurements of a material motion and deformation (displacement, velocity, strain, and strain rate). Advances in high-speed (HS) and ultra-high-speed (UHS) camera technology have driven widespread adoption of HS and UHS DIC especially when sampling rates in the kHz to MHz are required. A common challenge in the application of DIC to high-rate material loading are issues with the applied speckle pattern failing during high-rate loading. A primary requirement of DIC is that the applied speckle pattern follows the underlying surface. When materials of interest are subjected to high-velocity impact, the applied pattern can debond or otherwise fail to follow the motion and deformation of the material surface. This work will evaluate common speckle pattern preparations for both distributed loading and localized deformation. The study will outline unique challenges associated with characterization high-rate material testing and describe a laser-based methodology for probing time-resolved pattern integrity. Photonic Doppler velocimetry will be used to study the effectiveness of the various patterns in tracking the surface deformation including woven composite panels and thin metal plates. The technique offers a simple, objective means of quantifying pattern integrity at selected measurement points and directly comparing different pattern techniques. -
Dynamic Behavior of Lungs Subjected to Underwater Explosions
Helio Matos, Tyler Chu, Brandon Casper, Matthew Babina, Matt Daley, Arun ShuklaDas Kapitel befasst sich mit der komplexen Dynamik menschlicher Lungen, die Unterwasserexplosionen ausgesetzt sind, und nutzt fortschrittliche experimentelle Methoden, um Bedingungen in der realen Welt zu simulieren. Durch den Einsatz von 3D-gedruckten Lungenmodellen mit internen Drucksensoren erfasst die Studie die komplizierten Druck- und Volumenänderungen innerhalb von Lungenhöhlen während und nach einer Unterwasserexplosion. Die Ergebnisse zeigen signifikante Verzögerungen in der Lungenreaktion aufgrund von Trägheitseffekten, wobei übertragene Schockwellen und anschließende Blasenimpulse Expansions- und Kontraktionszyklen beeinflussen. Bemerkenswert ist, dass der interne Lungendruck die allgemeine Druckreaktion nicht signifikant verändert, aber geringere Anfangsvolumina zu proportional geringeren Belastungen während der Ausdehnung und Kontraktion führen. Das Kapitel bietet wertvolle Einblicke in das Verhalten der Lunge unter extremen Bedingungen und trägt zur Entwicklung besserer Behandlungs- und Präventionsstrategien für Verletzungen unter Wasser bei.KI-Generiert
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AbstractAn experimental investigation was performed on an artificial human lung to evaluate its response and behavior after being subjected to an underwater explosive blast. The experiments were performed using a 63 mg TNT equivalent explosive charge placed 0.5 m from the front of the lung. The specimen used was a to-scale lung model representative of a 50th-percentile male. The experiments were performed on an 8200 l water tank. The artificial lung was instrumented with internal pressure sensors to record changes in the cavity pressure. Additionally, the underwater tank was instrumented with underwater blast transducers to measure the pressure from the explosive charge. Results show a significantly delayed response to the underwater blast due to the lung’s inertia. The lung initially contracts after the underwater shock, followed by an expansion showing a 50% change in relative volume within 7 ms. Results and observations qualitatively relate to the types of injuries observed during preexisting case studies. -
Dynamic Behavior of Curved Aluminum Structures Subjected to Underwater Explosions
Matthew Leger, Helio Matos, Arun Shukla, Carlos JavierDas Kapitel befasst sich mit dem dynamischen Verhalten gebogener Aluminiumstrukturen unter Unterwasserexplosionen (UNDEX) und konzentriert sich auf die Wechselwirkung zwischen Strukturen und UNDEX-Blasen. Die Forschung befasst sich mit der Besorgnis über Schäden an Unterwasserstrukturen und zielt darauf ab, die Konstruktion von Unterwasserstruktursystemen zu verbessern. Die Experimente wurden an luftgebogenen Aluminiumplatten durchgeführt, die einem Nahfeld-Knall eines Unterwasserexplosivstoffs ausgesetzt waren, mit drei unterschiedlichen Abstandsabständen und zwei Plattenkrümmungen. Die Studie beleuchtet die wichtigsten Faktoren für strukturelle Schäden wie den anfänglichen Druckimpuls und den ersten Blasenzusammenbruch und präsentiert detaillierte Analysen von Druckdaten und strukturellen Verformungen. Insbesondere zeigen die Forschungsergebnisse, wie strukturelle Compliance das Blasenverhalten und die Migration beeinflusst und liefern wertvolle Einblicke in die Gestaltung widerstandsfähigerer Unterwasserstrukturen.KI-Generiert
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AbstractThis research arises from the concern of damage to submersible marine structures such as underwater vehicles and pipelines and the need to understand dynamic failure. This work focuses on analyzing the dynamic bubble-to-structure interaction of curved metallic plates subjected to air-backed underwater explosive loading. This work aims to expand the current understanding of gas bubble formations during nearfield underwater explosion events with experimental analysis. The experiments were performed in an underwater explosive facility using high-speed cameras to measure full-field displacement and velocities during deformation through a digital image correlation technique. In addition, during the experiments, pressure transducers were used to record the pressure pulses emanated from the explosive charge. Experiments were performed for two plate curvatures (112 and 305 mm) and three standoff distances from the plate’s surfaces (55, 73, and 110 mm) for each curvature. The experiments show that deformations are higher if the explosive standoff is smaller or the structural radius of curvature is higher. In addition, the increase in structural deformation also leads to distorted bubble shapes that increase their repulsion from the structural specimen and decrease the bubble collapse period. Nearfield bubble dynamics are highly sensitive to the proximity of nearby structures and the compliance of such structures. Though they have higher deformations in general, complicated structures may be able to mitigate bubble attachment or jetting for specific explosive charges -
The Effect of Layering Interfaces on the Mechanical Behavior of Polyurea Elastomeric Foams
Mark Smeets, Behrad Koohbor, George YoussefDas Kapitel befasst sich mit dem mechanischen Verhalten von Polyurea-Elastomerschäumen und konzentriert sich dabei auf die Auswirkungen von Schichtgrenzflächen in dichtegestaffelten Strukturen. Es präsentiert experimentelle Ergebnisse aus sieben verschiedenen Schaumkonfigurationen, die sowohl unter quasistatischen als auch unter dynamischen Belastungsbedingungen getestet wurden. Die Studie vergleicht die Leistung nahtloser und verklebter Schnittstellen und hebt die negativen Auswirkungen der Schichtung auf Energieaufnahme und Effizienz aufgrund lokalisierter Scherkräfte hervor. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass nahtlose Schnittstellen, die durch sequentiellen Formguss erreicht werden, aufgrund der einfachen Fertigung und besseren Kontrolle über Dehnungsgefälle eine bevorzugte Alternative zu verklebten Schnittstellen darstellen. Die Forschung baut auf früheren Studien auf und liefert wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung von Polyharnstoffschäumen für Anwendungen zur Schadensminderung.KI-Generiert
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AbstractThe performance of density-graded elastomeric foams has been a cynosure of the pursuit of superior impact mitigation materials and structures. Elastomeric foams exhibit a remarkable mechanical response, including resilience, toughness, and recoverability. However, recent research has only focused on the performance of uniform-density foam paddings in response to various strain rates. Concurrently, the body of research on the potential of density gradation has been burgeoning, suggesting an untapped potential to achieve higher levels of protection than those offered by their ungraded counterpart. This research aims to elucidate the layering interfaces effect on the performance of density-graded elastomeric foams in response to quasi-static and impact loading. The approach is to manufacture foam laminates consisting of bi- or tri-layered polyurea elastomeric foams using two different layering techniques. In one set of samples, the foam was natively adhered by casting subsequent layers with different densities by adjusting the mixing and pouring ratios. In the second set of samples, separately cast polyurea sheets were adhered using ultrathin polyurea adhesive to mimic the configuration of the first set. All foam samples were submitted to quasi-static loading up to densification and impact loading at 7 J. The static and dynamic stress-strain curves were accompanied by full-field digital image correlation analysis, revealing the contributions of the density gradation and layering interfaces to the overall deformation. While the primary outcomes include insights into the mechanistic processes responsible for the mechanical behavior, the natively bonded density-graded polyurea foams provide an exciting platform to explore additional mechanics of elastomeric foams. -
Moderate-Velocity Response of Polyurea Elastomeric Foams
Paul Kauvaka, Mark Smeets, Behrad Koohbor, George YoussefDas Kapitel befasst sich mit der mittelschnellen Reaktion von Polyurea-Elastomerschäumen, einem Material, das aufgrund seiner außergewöhnlichen mechanischen Leistung unter verschiedenen Dehnungsraten Aufmerksamkeit erregt. Die Forschung konzentriert sich auf die Aufprallreaktion von Polyurea-Schaumstoffen, die sowohl in ihrer Dichte als auch in ihrer Dichte klassifiziert sind, wobei eine kleine, mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ausgestattete Gaspistole zum Einsatz kommt. Die Studie unterstreicht die bedeutende Rolle der Grenzflächenqualität bei der Gesamtkonformität der Schaumstoffproben, wobei nahtlose Grenzflächen größere Verformungen aufweisen als verklebte. Die Ergebnisse bieten neue Ansätze zur Verbesserung der Wirksamkeit von Polyharnstoffschäumen und machen sie zu vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen zur Schadensminderung in allen Branchen.KI-Generiert
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AbstractThe suitability of cellular solids for a specific energy absorption application, whether packaging or sports gear padding, depends on their dynamic mechanical behaviors under impact loadings. The latter is imperative not only to simulate real-life loading conditions but also to interrogate the realistic response of the material, contributions of the geometry, and determination of prominent deformation mechanisms. This research aims to extend the application domain of polyurea elastomeric foams through a mechanistic understanding of their response to loading scenarios at moderate impact velocities. Recent research focused on either leveraging quasi-static stress-strain response to forecast the impact efficacy of these foams or submitting the foam pads to low-velocity impacts. Hence, the approach here is to develop a small-scale shock tube to release a projectile into polyurea foam plugs ~31 cm apart. The shock tube was mounted vertically to (1) reduce the logistical impact of the setup and (2) leverage gravity-assisted increase in impact velocity. The impact velocity was controlled by adjusting the pressure in the driver (high pressure) section of the tube. The impact-induced deformation was captured using a high-speed camera. The velocity-time profiles were used to calculate the stress, while the high-speed images were analyzed using digital image correlation (DIC) to report the evolution of strains and inertia stresses. Samples were also examined post-deformation using optical microscopy to assess the induced structural damage. The outcomes of this research extend the property map of polyurea elastomeric foams, gearing them closer to transition into realistic sports protective gear applications. -
The Use of Human Surrogate for the Assessment of Ballistic Impacts on the Thorax
Martin Chaufer, Rémi Delille, Benjamin Bourel, Christophe Marechal, Franck Lauro, Olivier Mauzac, Sebastien RothDas Kapitel geht der entscheidenden Notwendigkeit nach, Schutzvorrichtungen in der Ballistik zu optimieren, wobei der Schwerpunkt auf der Bewertung ballistischer Auswirkungen auf den Brustkorb liegt. Es stellt das Konzept menschlicher Surrogate vor, sowohl numerischer als auch physischer Art, und hebt die Herausforderungen und Grenzen bestehender Surrogate hervor. Die Autoren schlagen eine neuartige Reverse-Engineering-Methode zur Entwicklung eines biofidelen physikalischen Surrogats vor, das SurHUByx, basierend auf einem vereinfachten Finite-Elemente-Modell. Das Kapitel beschreibt die Herstellungsprozesse, verwendeten Materialien und den Versuchsaufbau zur Validierung der Biotreue der Leihmutter. Die Ergebnisse zeigen vielversprechende Übereinstimmungen mit biomechanischen Korridoren, was SurHUByx zu einem wertvollen Werkzeug für Schutzbewertungen in der Ballistik macht.KI-Generiert
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AbstractThis study described the creation of a physical human thorax surrogate dedicated to blunt ballistic impacts called SurHUByx. The geometry of this new surrogate is based on an existing numerical model, named HUByx, which consists of a biofidelic 50th percentile human torso finite element model. In order to build the physical dummy, and to choose appropriate materials for anatomical structures, able to reproduce correctly the human behavior, a reverse engineering procedure was applied. Material properties of the numerical model (especially the bone structures, as well as internal organs) were simplified in order to match properties of manufacturable materials: Trabecular and cortical bones, as well as costal cartilage were merged, and then modeled with a homogeneous material, whereas internal organs were made of synthetic gel, which has already proven its biofidelity. These simplifications lead to the creation of a new numerical “simplified” biomechanical model (named SurHUByx FEM). It was then used to replicate experimental reference cases conducted on Post Mortem Human Subjects. Results were consistent with the experimental biomechanical corridors. The model being validated, the construction of the physical dummy began: Internal organs (heart, lungs, liver, and spleen) were molded in 3D printed molds with SEBS gel. Muscle and Mediastinum were molded with 3D printed molds using various concentrations of SEBS gel. Skin was made with the vinyl skin of the Hybrid III dummy. In the same way as for the numerical validation, the new physical dummy was submitted to the same impact cases. The whole procedure allowed creating a biofidelic dummy with manufacturable materials, which can be used for ballistic accident reconstruction, as it was already performed in the literature in the crashworthiness framework.
- Titel
- Dynamic Behavior of Materials, Volume 1
- Herausgegeben von
-
Veronica Eliasson
Paul Allison
Phillip Jannotti
- Copyright-Jahr
- 2024
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-031-50646-8
- Print ISBN
- 978-3-031-50645-1
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-031-50646-8
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