Diagnostic analysis of structures by dynamic indentation test : a preliminary numerical study

The thesis presents a preliminary numerical study, related to the problem of identification of elastic-plastic parameters of metals by dynamic indentation. Nowadays, it is known in literature that the material model calibration can be developed by static indentation tests. The aim of the thesis is to investigate the possibility of an effective exploitation of dynamic indentation tests for the same purpose. The main advantages of dynamic indentation tests, in comparison with static ones, are the quickness of the method and the manoeuvrability of the instrument. So the test could be used as an in-situ diagnostic method (e.g. for pipelines networks or fire damaged structures) also in difficult environmental conditions. The present work focuses on the numerical simulation of the dynamic indentation test. The reference instrument is the Leeb hardness tester, as defined by ASTM A956 - 06; dimensions and properties of the equipment are given in this recommendation. In the standard test a known mass impacts, with known velocity, against a metallic specimen; the result is the rebound velocity of the indenter. The spherical tip produces an imprint on the material sample which is also considered in the present investigation. A 2D axisymmetric finite element model of the test is developed by Abaqus code. The simulation is based on the assumption of large strain and large displacements. This finite element study is carried out to find the influence of some input parameters on the results of the dynamic indentation test. Some numerical aspects are also specifically investigated, such as boundary conditions (finite or infinite elements on the boundary, dimensions of the sample), meshing and time integration scheme (explicit versus implicit analysis). Furthermore, the effect on the system response of some mechanical parameters is analysed, considering different interface characteristics (friction between the sample and the indenter), deformability of the indenter, strain rate effects and elastic-plastic properties of the tested specimen. The numerical results are compared mainly considering the rebound velocity of the indenter and the residual deformation left on the specimen surface, in order to highlight the differences that could be obtained by testing different materials. The final goal is to evaluate the possible benefits arising from the consideration of the geometry of the residual imprint as additional information about the material characteristics to inverse analysis purposes.

La tesi presenta uno studio numerico preliminare, relativo al problema di identificazione di parametri elasto-plastici dei modelli costitutivi impiegati per simulare il comportamento meccanico dei metalli attraverso indentazione dinamica. È noto in letteratura che la calibrazione di tali modelli può essere attualmente sviluppata attraverso prove di indentazione statica. L'obiettivo della tesi è indagare la possibilità di un efficace impiego delle prove dinamiche per lo stesso scopo. I vantaggi principali delle prove di indentazione dinamica, rispetto a quelle statiche, sono la velocità del metodo e la maneggevolezza dello strumento. Quindi la prova potrebbe essere utilizzata come metodo diagnostico in-situ (per esempio per reti di condotte o strutture danneggiate da incendio) anche in condizioni ambientali difficoltose. Il presente lavoro si concentra sulla simulazione numerica dell'esperimento. Lo strumento di riferimento è il durometro Leeb, come definito da ASTM A956 - 06; dimensioni e proprietà della strumentazione sono indicate in questa normativa. Nella prova normata un corpo di massa nota impatta, con velocità nota, contro un campione metallico; il risultato è la velocità di rimbalzo dell'indentatore. La punta sferica produce un'impronta sulla superficie del campione, considerata nella presente indagine con fini diagnostici. L'esperimento è simulato attraverso un modello bidimensionale assialsimmetrico a elementi finiti sviluppato attraverso il codice Abaqus. Le analisi sono basate sulle ipotesi di grandi deformazioni e grandi spostamenti. Questo studio agli elementi finiti è svolto per individuare l'influenza di alcuni parametri in ingresso sui risultati delle prove di indentazione dinamica. Sono indagati specificatamente alcuni aspetti numerici, come le condizioni al contorno (elementi finiti o infiniti al contorno, dimensione del campione), le proprietà della mesh e lo schema di integrazione temporale (analisi esplicita rispetto a implicita). Inoltre, è analizzato l'effetto di alcuni parametri meccanici sulla risposta del sistema, considerando diverse caratteristiche di interfaccia (attrito tra il campione e l'indentatore), la deformabilità dell'indentatore, l'effetto della velocità di deformazione e le proprietà elasto-plastiche del campione. I risultati numerici sono confrontati principalmente considerando la velocità di rimbalzo dell'indentatore e la deformazione residua della superficie del campione, per evidenziare le differenze che potrebbero essere riscontrate nella sperimentazione reale. L'obiettivo finale è valutare i possibili benefici ottenuti considerando la geometria dell'impronta residua come informazione aggiuntiva in analisi inverse volte a determinare le caratteristiche meccaniche dei materiali metallici. Il presente lavoro è organizzato in quattro capitoli: nel Capitolo 1 sono presentati le motivazioni di interesse ingegneristico per il lavoro e lo stato dell'arte per indentazione statica e dinamica. Nel Capitolo 2 sono descritti il metodo di prova dinamica secondo ASTM A956 – 06, i fondamenti teorici del problema e gli aspetti computazionali delle analisi. Il Capitolo 3 presenta i risultati ottenuti dalle analisi a elementi finiti, al fine di evidenziare l'influenza di ciascun parametro sul risultato della prova di indentazione dinamica. Nel Capitolo 4 sono proposte alcune osservazioni conclusive a commento dei risultati ottenuti e i possibili sviluppi futuri del lavoro.