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High Strain-Rate and Temperature Behaviour of Metals: Advanced Testing and Modelling
Full text linkThe purpose of the thesis was the prediction of the dynamic behaviour of metals. In order to investigate the mechanical response of metals in dynamic conditions, different experimental techniques were developed and used. The experimental data were analyzed through different procedures with the aim to provide consistent methodologies suited to extract sets of model parameters usable in the commercial FE code
Analisi sperimentale del comportamento di materiali metallici sottoposti ad elevati strain-rate e temperature
No full textLa velocità di deformazione e la temperatura sono variabili di fondamentale importanza nella definizione della risposta meccanica dei materiali. In alcuni modelli di materiale di tipo elasto-plastico tali effetti vengono considerati agire in modo indipendente. Tuttavia, in diverse applicazioni il materiale viene sottoposto a carichi dinamici in condizioni di elevate temperature, per cui, in questo lavoro, viene descritta una metodologia di prova per investigare tali condizioni. I risultati sperimentali vengono riportati per due materiali: rame puro e Glidcop Al-15. Le prove ad elevato strain-rate sono condotte con il setup di barra di Hopkinson a trazione diretta. Il riscaldamento del provino avviene per mezzo di un sistema a induzione, che mantiene la temperatura costante grazie a un sistema di retroazione basato sulla misura della temperatura, ottenuta da termocoppie saldate direttamente sulla superficie del provin
Numerical simulation of landmine explosions: comparison between different modelling approaches
Full text linkUntil decade ago the design of mechanical structures, having to resist to explosive events, was mainly performed using experimental tests with explosive materials. In the last years, numerical methods are assuming importance thanks to the following advantages: high cost reduction, flexibility in investigating different scenarios and the chance to study explosive phenomena without risks. An explosion is a complex and multidisciplinary subject. It involves a large number of physical parameters which influence the amount of energy transferred to the target above the detonation. The aim of this paper is to describe numerical models to simulate landmine explosion and blast loading on structures, using different approaches: an Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) mesh and a pure Lagrangian mesh. For what concerns the ALE simulations, three different cases are analyzed. First of all, the numerical model of the landmine explosion is validated through the comparison with experimental data. The same model is then used to evaluate the effect of detonations against two structures, using a fluid-structure algorithm: a steel plate and a human leg. For this type of simulations, an Eulerian approach is needed, in order to reproduce the expansion of the mix of sand, air and gas against the target. When the gas encounters the target a fluid structure interaction algorithm (FSI) determines the pressure values, which are transferred from the Eulerian parts to the Lagrangian ones. The main disadvantage of an ALE approach is the large computational time, which is further aggravated by the need to use quite fine mesh resolution to adequately reproduce the air shock. For this reason it is interesting to use 2D modeling. The second approach is based on empirical airblast equations developed by Kingery and Bulmash, for the application of pressure loads due to explosives in conventional weapons, and was implemented in LS-DYNA by Randers-Pehrson and Bannister. This methodology is applied to simulate the detonation against the plate and the results are compared with the corresponding results obtained using an ALE approac
Mechanical Behavior of Glidcop Al-15 at High Temperature and Strain Rate
No full textStrain rate and temperature are variables of fundamental importance for the definition of the mechanical behavior of materials. In some elastic-plastic models, the effects, coming from these two quantities, are considered to act independently. This approach should, in some cases, allow to greatly simplify the experimental phase correlated to the parameter identification of the material model. Nevertheless, in several applications, the material is subjected to dynamic load at very high temperature, as, for example, in case of machining operation or high energy deposition on metals. In these cases, to consider the effect of strain rate and temperature decoupled could not be acceptable. In this perspective, in this work, a methodology for testing materials varying both strain rate and temperature was described and applied for the mechanical characterization of Glidcop Al-15, a copper-based composite reinforced with alumina dispersion, often used in nuclear applications. The tests at high strain rate were performed using the Hopkinson Bar setup for the direct tensile tests. The heating of the specimen was performed using an induction coil system and the temperature was controlled on the basis of signals from thermocouples directly welded on the specimen surface. Varying the strain rate, Glidcop Al-15 shows a moderate strain-rate sensitivity at room temperature, while it considerably increases at high temperature: material thermal softening and strain-rate hardening are strongly coupled. The experimental data were fitted using a modified formulation of the Zerilli-Armstrong model able to reproduce this kind of behavior with a good level of accurac
Investigation of dynamic behaviour of copper at high temperature
No full textIn this work a complete study about the dynamic response of pure copper at high temperature is performed in tension, on dog bone specimens with cylindrical cross-section. The tensile tests varying the strain rate are performed from quasi-static to dynamic regime, covering six orders of magnitude. The heating of the specimens in quasi-static condition is obtained with an induction coil system, designed to concentrate the heat flux in the gage length of the specimen. The temperature range varies between 20 and 400uC. In the perspective to perform also tests in mixed loading conditions, in this work, a methodology for testing materials at high temperature and high strain rate is described. The method uses the standard Hopkinson Bar apparatus for direct tensile tests with the same heating system used in quasi-static tests. The obtained experimental results are analysed and finally compared with those available in the scientific literatur
HIGH STRAIN-RATE AND HIGH TEMPERATURE BEHAVIOUR OF REFRACTORY SINTERED METALS
No full textIn this work the experimental results of a tests campaign on Inermet® and pure Molybdenum are presented. The experimental test campaign was performed both in tension and compression in a wide range of strain-rates (between 10-3 and 103 s-1) and temperatures (between 20 and 1000 °C). The high strain-rate tests were carried out using standard Hopkinson Bar setups and the heating of the specimens was obtained with an induction coil system. The data were, finally, analyzed in order to extract the parameters of strength material model
Modeling of Strain-Rate Behavior of a Lead-Antimony Alloy for Bullet Constructions
No full textIn recent years, the importance to understand the actual behavior of components subjected to ballistic impacts leads to the use directly military bullet in the research fields. The bullet under analysis in this work is the 7.62x51mm Ball. It is a full metal jacket bullet with the core in lead-antimony alloy and the jacket in brass. This work focused the attention on the mechanical characterization of the core material. In literature there is a great leak of results for this alloy, especially at high strain-rate. In this work, experimental tests varying the strain-rate were performed and the results showed that the lead-antimony alloy presents a great strain-rate sensitivit
ANALISI DELLA CURVA DI FLUSSO PLASTICO DI MATERIALI METALLICI BASATA SULLA MISURA SPERIMENTALE DEL PROFILO DI NECKING
Full text linkL'identificazione dei modelli di flusso plastico a partire dalla realizzazione di prove di trazione, nonostante la semplicità della prova, presenta alcuni problemi legati allo sviluppo di condizioni di sollecitazione triassiale conseguenti al raggiungimento della condizione di necking. Numerosi approcci sono stati proposti in passato per correggere la misurazione canonica di forza e allungamento rilevata durante la prova, al fine di determinare la legge true stress-true strain del materiale e identificare, così, i parametri di modelli costitutivi elasto-plastici. Nel presente lavoro viene proposto un approccio basato su una combinazione di analisi digitale dell'immagine e ottimizzazione numerica di modelli FEM: l'evoluzione del profilo del provino dogbone rilevato durante una prova di trazione viene impiegata direttamente per l'identificazione della legge di flusso plastico del materiale. La metodologia presentata è stata applicata per il rame HDHC e comparata con le tecniche di indagine convenzional
ANALISI DI UNA PROCEDURA SPERIMENTALE PER LA CARATTERIZZAZIONE DI MATERIALI METALLICI A VELOCITA' DI DEFORMAZIONE SUPERIORI A 10000 1/s
No full textL'analisi e lo studio del comportamento dinamico dei materiali ad elevate velocità di deformazione richiede lo sviluppo di metodologie di prova e, di conseguenza, di attrezzature che permettano di investigare tali scenari. La barra di Hopkinson è ampiamente utilizzata per lo studio del comportamento per velocità di deformazione nell'ordine dei 10^3 s^-1. In questo lavoro, sono stati discussi i principi che hanno portato alla progettazione di un setup miniaturizzato a barra di Hopkinson per prove di trazione con strain-rate superiori a 10^4 s-1. Tra i fattori analizzati, giocano un ruolo fondamentale: la velocità di impatto, il livello di tensione misurata, il rapporto segnale/rumore e la dimensione dei provini. Inoltre, le procedure di analisi dei risultati e l'impiego di un metodo numerico inverso per l'estrazione dei parametri di modelli di materiale sono stati ampiamente discussi ed, infine, applicati a un acciaio di interesse in diverse applicazioni ingegneristich
STUDIO DEL COMPORTAMENTO DI METALLI REFRATTARI AD ELEVATI STRAIN-RATE E TEMPERATURE
Full text linkL'introduzione di acceleratori di particelle ad elevata energia, come il Large Hardon Collider (LHC) realizzato al CERN, ha richiesto lo sviluppo di metodi avanzati per predire il comportamento di particolari dispositivi che possono essere soggetti all'impatto con il fascio di particelle, e che, quindi, sono progettati per operare in un ambiente estremamente radioattivo e fortemente sollecitato da un punto di vista termo-strutturale. I materiali coinvolti devono soddisfare una serie di requisiti, quali: elevata resistenza, buona duttilità alle alte velocità di deformazione ed elevata stabilità alle alte temperature, oltre ad una buona resistenza alla corrosione e agli ambienti radioattivi. Ne deriva che i metalli refrattari e le loro leghe risultano essere degli ottimi canditati e lo studio del loro comportamento meccanico deve essere effettuato in un ampio intervallo di velocità di deformazione e di temperatur
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