A combined numerical and analytical approach to pulse shaper design for Split-Hopkinson pressure bar tests on metallic materials

In this thesis, the development of a procedure for the optimal design of pulse shapers for compression Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) tests on metallic materials, is presented. This procedure aims at minimizing the number of experimental tests needed to design suitable pulse shapers, by substituting the experimental phase with numerical and analytical simulations. Firstly, a numerical model for an SHPB apparatus with pulse shaper was developed using ABAQUS®/Explicit commercial finite element software, and it was validated with experimental data from the literature. Then, the model was used to carry out simulations of pulse-shaped SHPB tests and to identify the correct pulse shaper dimensions to achieve a constant strain rate and forces equilibrium for different specimen materials and loading conditions. Subsequently, an analytical approach was focused on the construction of a mathematical model, implemented in MATLAB® script, capable of predicting the results of numerical simulations as a function of design variables (materials and geometry of pulse shapers, striker velocity and length) and supporting them. The two proposed approaches were then employed in the design of pulse shapers for tests on specimens made of three different materials, namely Armox 500T ballistic protection steel, AA6061-T6 and AA6082-T6 aluminium alloys. The proposed pulse shaper consists of two metallic disks, the first made of AISI 1045 mild steel and attached directly to the incident bar, and the second made of OFHC copper, stacked on top of the steel disk. This configuration of pulse shaper was demonstrated as appropriate for constant strain rate SHPB tests with each of the three specimen materials.

Il presente lavoro di tesi propone una procedura per la corretta progettazione di pulse shapers (sistemi di modificazione della forma dell’impulso incidente) da utilizzare in test di compressione a elevato strain-rate su materiali metallici, svolti con una barra di pressione frazionata di Hopkinson (Split-Hopkinson pressure bar). Lo scopo del metodo qui sviluppato è di minimizzare il numero di prove sperimentali richieste per la progettazione di pulse shapers, sostituendo la fase sperimentale con simulazioni numeriche e modelli analitici. È stato messo a punto un modello numerico di un apparato SHPB con pulse shaper, utilizzando il software commerciale ABAQUS®/Explicit per l’analisi a elementi finiti. I risultati di tale modello sono stati validati con dati sperimentali provenienti dalla letteratura. Il modello numerico è stato poi utilizzato per simulare vari test con la SHPB in presenza di pulse shaper, al fine di identificare le giuste dimensioni del pulse shaper stesso per ottenere condizioni di velocità di deformazione costante e equilibrio degli sforzi nel provino. Successivamente è stato messo a punto un approccio analitico, basato su di un modello matematico, implementato su codice MATLAB®, in grado di prevedere la forma dell’impulso incidente in funzione delle variabili sperimentali (dimensioni e materiali del pulse shaper, velocità e lunghezza dello striker) e di supportare i risultati delle analisi numeriche. I due approcci sopra riportati sono stati quindi impiegati nella progettazione di pulse shapers per test su provini di tre diversi materiali, un acciaio di protezione balistica Armox 500T, e due leghe di alluminio AA6061-T6 e AA6082-T6. Il pulse shaper proposto si compone di due dischi metallici, uno costituito da acciaio AISI 1045, posizionato direttamente a contatto con la barra incidente, e uno di rame OFHC, posizionato dietro al disco di acciaio. Il pulse shaper qui illustrato è stato dimostrato adatto per test a velocità di deformazione costante su tutti e tre i materiali per cui è stato impiegato.