Experimentální výzkum dynamických vlastností aditivně vyráběných materiálů a struktur: instrumetované vysokorychlostní testy

Abstract

Tato disertační práce se zabývá rozsáhlým experimentálním výzkumem chování mateirálů a struktur při dynamickém namáhání s využitím pokročilých variant dělené Hopkinsonovy tyče. Hlavní důraz je kladen na vývoj, instrumentaci a měření s využitím několika konfigurací Hopkinsonovy tyče - zejména přímého rázového uspořádání (DIHB) (Direct Impact Hopkinson Bar) - umožňujícího přesné testování materiálů a aditivně vyráběných struktur v širokém rozsahu deformačních rychlostí. Klíčovým přínosem této práce je zavedení bezkontaktního měřícího systému založeného na magnetických enkodérech, který byl implementován do experimentální sestavy DIHB. Tento systém poskytuje vysoce přesné měření kinematiky impaktní tyče a překonává tak omezení tradičních metod využívajících tenzometrii, digitální korelaci obrazu nebo fotonovou Dopplerovskou velocimetrii zajména v experimentech se složitými deformačními mechanismy nebo penetračními testy velkých struktur. Využití magnetických enkodérů bylo validováno a doplněno o další diagnostické nástroje, včetně vysokorychlostní optické kamery, rentgenové radiografie a zábleskového rentgenu, které možnily sledovat vnitřní změny struktury vzorku v průběhu deformace. Experimenty byly provedeny na škále rozdílných vzorků se složitou vnitřní strukturou za kvazistatických středních a vysokých deformačních rychlostí. Kombinace měřících metod a vizualizačních technic umožnila detailní pozorování mechanismů kolapsu,vlivu rychlosti deformace a lokalizace deformací. Integrace experimentálních dat s vizuálními záznamy poskytla cenné poznatky o dynamické odezvě pokročilých inženýrských materiálů a vytváří pevný základ pro budoucí numerické modelování a optimalizaci konstrukcí. Získané výsledky přispívají k rozvoji experimentální mechaniky vysokých deformačních rychlostí a ukazují potenciál hybridních metod měření a zobrazování při charakterizaci složitých materiálů a struktur při rázovém zatížení.

This dissertation presents an extensive experimental investigation of dynamically loaded materials and structures using advanced Hopkinson bar techniques. The study focuses on the development, modification, and application of several Hopkinson bar configurations - particularly the direct impact Hopkinson bar (DIHB) - to enable accurate testing of architected and additively manufactured materials across a wide range of strain rates. A key innovation introduced in this wok is a contactless instrumentation system based on magnetic encoders, implemented within the DIHB setup. This system offers high-resolution measurement of striker and specimen kinematics, overcoming the limitations of traditional approaches using strain gauges, digital image correlation or Photon Doppler Velocimetry (PDV) especially in experiments involving complex deformation modes or penetration into large structures. The encoder-based measurments were validated and integrated into a broader diagnostic framework, including high-speed optical imaging and flash X-ray radiography, allowing for real-time visualization of internal structural changes during impact. Experiments were conducted on a variety of cellular structures and advanced materials under quasi-static, intermediate, and high strain rate conditions. The combined methodlogy enabled detailed observation of collapse mechanisms, strain rate effects, and deformation localization. The integrafion of experimental data with visual diagnostics provided valuable insights into the dynamic response of modern engineering materials, and forms a solid foundation for future numerical modelling and structural optimization. The findings of this research contribute to the advancement of high-strain-rate experimental mechanics, demonstration the potential of hybrid instrumentation and imaging approaches in the characterization of complex materials and impact-resistant structures.