Advancements in Experimental Impact Dynamics

Abstract

This habilitation thesis addresses advancements in experimental impact dynamics. It identifies several challenges in analyzing dynamic and impact-related phenomena, which have to be overcome to enhance material characterization at intermediate and high strain rates. Specifically, the focus is on complex deformation modes such as penetration and non-linear collapse. The thesis introduces key research topics to address these challenges, including the limited controllability of experiments, issues with signal quality, and the inherent limitations of the split Hopkinson bar method. Additionally, it discusses obstacles in analyzing internal material processes that are difficult to observe in situ. To address these challenges, modifications to the conventional split Hopkinson bar apparatus and the development of new direct impact and penetration measurement techniques are proposed. These innovations aim to minimize the limitations of standard setups. Wave separation techniques are enhanced to enable more accurate and reliable de-convolution of longitudinal strain waves. A specialized device, utilizing linear motors, is designed and commissioned to facilitate highly controllable experiments at intermediate strain rates. Furthermore, highspeed X-ray imaging is used to observe internal material processes, e.g., during dynamic penetration and bending. To support this, two specialized facilities are established: an X-ray facility for intermediate strain rates and a flash X-ray facility for high strain rates. As a result, this thesis presents novel experimental systems and methodologies, demonstrating their capabilities in several advanced applications.Tato habilitační práce se zabývá pokročilou experimentální dynamikou rázů. Identifikuje několik výzev při analýze dynamických a rázových jevů, které je třeba překonat, aby byla zlepšena charakterizace materiálů při středních a vysokých rychlostech deformace. Konkrétně se zaměřuje na komplexní režimy deformace, jako je penetrace a nelineární kolaps materiálů se složitou vnitřní strukturou. Práce představuje několik výzkumných témat, která se zabývají těmito výzvami, včetně omezené řiditelnosti experimentů, problémů s kvalitou měřených signálů a inherentních omezení metody dělené Hopkinsonovy tyče. Dále se věnuje problematice analýzy procesů probíhajících uvnitř materiálů, které jsou těžko pozorovatelné in-situ. K překonání těchto výzev jsou navrženy modifikace konvenčního zařízení dělené Hopkinsonovy tyče a realizován vývoj nových technik pro měření přímých rázů a dynamické penetrace. Tyto inovace mají za cíl minimalizovat omezení standardních zařízení. Techniky separace napěťových vln jsou zdokonaleny tak, aby umožnily přesnější a spolehlivější dekonvoluci podélných deformačních vln v tyčích. Bylo navrženo a uvedeno do provozu specializované zařízení, využívající lineární motory, které umožňuje vysoce řiditelné experimenty při středních rychlostech deformace. Dále je použito vysokorychlostní rentgenové zobrazování k pozorování interních procesů v materiálech, např. během dynamické penetrace a ohybových zkouškách. V rámci práce byly za tímto účelem zřízeny dva specializované systémy: rentgenový systém pro zobrazování při středních rychlostech deformace a zábleskový rentgenový systém pro vysoké rychlosti deformace. Tato práce představuje nové experimentální přístupy v rázové dynamice a s tím spojené metodologie a demonstruje jejich možnosti v několika pokročilých aplikacích