Stanovení mechanického chování materiálů při rychlých deformacích metodou SHPB

Abstract

Tato disertační práce je zaměřena na experimentální analýzu buněčných (celulárních) metamateriálů při dynamickém rázu za vysokých rychlostí deformace. Analyzovány jsou zejména aditivně vyráběné auxetické struktury (materiály se záporným Poissonovým číslem). Za tímto účelem byla vyvinuta dvě experimentální zařízení: i) konvenční dělená Hopkinsonova tyč (Split Hopkinson Pressure Bar - SHPB) a ii) inovativní zařízení OHPB (Open Hopkinson Pressure Bar) pro testování přímým rázem. Obě zařízení jsou navržena a optimalizována pro testování materiálů s nízkou mechanickou impendancí (měkkých materiálů) a jsou použity pro testování celulárních metamateriálů v jednoosém tlaku při rázu za vysokých rychlostí. V práci je detailně popsáno technické řešení obou experimentálních zařízení, jejich instrumentace, použité metody pro vyhodnocení i všechny experimentální programy provedené během studie. Experimenty byly opticky pozorovány s využitím více typů rychlokamer a data z nich byla dále zpracována pomocí metody digitální korelace obrazu (digital image correlation - DIC) pro pokročilou analýzu deformačních chování metamateriálů. Data z několika experimentálních kampaní byla použita pro analýzu citlivosti auxetických bunk na rychlost deformace a pro analýzu citlivosti. Poissonova čísla na rychlost i velikost deformace. Je zjištěno, že auxetické struktury jsou obecně citlivé na rychlost deformace a že hodnota Poissonova čísla těchto struktur záleží jak na rychlosti tak velikosti deformace. V práci jsou dále uváděny některé reprezentativní výsledky dalších celulárních materiálů, především potom hybridních pěn s otevřenými póry a hybridních auxetických struktur s dutými pruty.

This doctoral thesis is focused on the experimental analysis of cellular meta-materials subjected to a dynamic impact with a high strain-rate. In particular, additevely manufactured auxectic lattices (structures with a negative Poisson´s ratio) are investigated. Two in-house Hopkinson bar experimental setups are developed for the testing of the structures: i) a conventional Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB, Kolsky bar), and ii) a novel direct impact Open Hopkinson Pressure Bar (OHPB). Both setups are tailored for the application on the low impendance materials and are used for the experiments subjecting the cellular meta-materials to a high strain-rate uni-axial compression. In the thesis the developed apparatuses, the instrumentation, evaluation methods and the experimental program are described in detail. The experiments are optically inspected using several high-speed camperas and a digital image corelation technique is employed for the advanced analysis of the deformation behavior of the meta-materials. Using the data from several experimental campaigns, the strain-rate sensitivity of the selected auxetic lattices and the Poisson´s ratio is investigated in detail. It is found out that the auxetic structures are, in general, strain-rate sensitive and their Poisson´s ratio is both strain-rate and strain dependent. Other representative results exploiting the deformation behavior of cellular materials, e. g., hybrid open-cell foams and hybrid hollow strut auxetic lattices are also presented in the study