Numerická analýza tvarování incidentních napěťových vln pro SHPB měření

Abstract

V předkládané práci se autor věnuje problematice šíření napěťových vln při SHPB měření, uceluje metodiku provádění SHPB simulací pomocí řešiče LS-DYNA a analyzuje metody tvarování vln za použití vlastních naprogramovaných automatizovaných procedur. Teoretická část práce shrnuje poznatky o modelováním šíření elastických a plastických vln kontinuem a jejich disperzi. Jsou prezentována matematická i MKP řešení 1D pulzů se strmým náběhem a řešení prostorového šíření vlny tenkou tyčí. Je diskutován výskyt přítomných oscilací napětí, které jsou v dalších částech práce podrobně popsány a rozděleny na numerické způsobené chybou metody a fyzikální vzniklé od účinků radiální setrvačnosti. Je stanovena metodika vyhodnocení disperze nástroji frekvenční analýzy. Jsou shrnuty poznatky o vlivu rychlosti deformace na napěťovou odezvu mědi. Praktická část se zabývá citlivostní studií nastavení explicitního řešiče LS-DYNA. Dále jsou podle značného množství provedených experimentů úspěšně zkalibrovány kontaktní a okrajové podmínky, koeficient útlumu tyčí a parametry lineárních i nelineárních materiálových modelů měděného tvarovače, který je podroben spolu s dalšími proměnnými SHPB úlohy parametrické studii. Numerická analýza tvarovaní vlny je navíc provedena i pro tvarovače a narážející tyče nekonvenčních tvarů za účelem nalezení nových efektivních metod. Nakonec je vytvořen plně automatický nástroj v programovacím jazyce Matlab pro provádění širokého spektra úloh optimalizace libovolných parametrů sestavy SHPB s využitím explicitního řešiče LS-DYNA.

The paper aims at a summary of wave propagation phenomenon, particularly in SHPB parts. Furthermore, the work focuses on problems associated with the use of the explicit LS-DYNA solver, on techniques of pulse shaping, and finally, on creating automation algorithms of simulations. The theoretical part of the paper summarizes findings on modelling of the propagating of elastic and plastic waves through a continuum and their further dispersion. Both mathematical and FEM 1D solutions of ramp pulses and a three-dimensional solution of wave propagating in a slender bar are presented. Furthermore, the presence of stress oscillations is discussed and described into more detail in the subsequent parts of the thesis. The oscillations are further divided into numerical and physical. The occurrence of numerical oscillations emerges from an incorrect calculation of the method, and radial inertia is the reason for the occurrence of physical oscillations. The methodology of evaluating dispersion via means of frequency analysis is determined. The findings on effects of the strain rate on the stress response of copper are summarized. The practical part of the thesis is focused on sensitivity analysis of an explicit LS-DYNA solver. Moreover, based on a substantial amount of conducted experiments, contact and boundary conditions, the attenuation coefficient of bars and parameters of both linear and non-linear material models of copper pulse shaper, which is further subdued to a parametric study together with other variables of SHPB tasks, are successfully calibrated. In addition, the numeric analysis of pulse shaping is carried out even with shapers and striker bars of unconventional shapes so as to discover new effective methods. Finally, the fully-automatic tool in the MATLAB programming language for conducting a wide spectre of optimization tasks for various parameters of the SPHB setup using the explicit LS-DYNA solver is created.