Hoe Explosie-effecten de Deformatie van Specimens Beïnvloeden: Modellering en Experimentele Verificatie

De tijd voor de tijdelijke deformatie van specimens bedraagt 2–4 milliseconden, wat zowel afhangt van de frequentierespons van de specimens als van het niveau van het explosie-effect. De tijd van het tijdelijke proces wordt verkort bij hogere frequenties en sterkere explosie-effecten. Dit komt door de toegenomen invloed van de radiale spanningen in het membraan. Het maximale niveau van radiale spanningen in de meetpunten was ongeveer 2 tot 2,5 keer hoger dan de cirkumferentiële spanningen. Bij de explosie die de breuk van de vezels in GRP-specimens initieerde (β = 3,27%) bereikten de maximale radiale spanningen op de cirkel met straal r = 125 mm 2,8%. In het centrum van het specimen, waar de maximale spanningen zich voordoen, was deze waarde zelfs hoger dan de uiteindelijke rekgrens van GRP onder statische tests. In tegenstelling tot GRP vertoonden de CFRP-specimens bij een explosie die de vezelbreuk initieerde (β ≈ 1,78–1,90%) maximale radiale spanningen die in de meetpunten niet meer dan 1–1,5% waren. In het centrum van de specimens kwamen deze waarden overeen met de uiteindelijke rekgrens van deze materialen bij statische testen.

De computermodellering van onderwaterexplosies en hun effecten op obstakels is in veel studies onderzocht. Diverse aspecten van dergelijke modellering, met behulp van commerciële en zelfontwikkelde software, zijn besproken in de literatuur [2–6, 8–13, 16–20] en andere werken. De testomstandigheden werden gemodelleerd met twee programma's: LS-DYNA en AUTODYN. In beide gevallen werden de problemen in een driedimensionale formulering opgesteld. Vanwege de symmetrie werd een kwart van het rekendomein beschouwd als een segment van vloeistof (water) met een straal van 660–900 mm en een hoogte van 810–1050 mm. Het bovenste deel werd langs de omtrek doorgesneden. De afmetingen van het doorgesneden gebied waren gelijk aan de algehele afmetingen van de buis (Fig. 2.7). Het specimen werd geplaatst binnen de doorgesneden ruimte, met daarboven een luchtgebied dat overeenkwam met het vrije volume achter het specimen in de buis.

In de eerste fase van de modellering werd de explosie beschouwd in onbeperkte vloeistof (water) in één dimensionale (AUTODYN) en twee dimensionale (LS-DYNA) formuleringen. De berekeningen werden uitgevoerd totdat de schokgolf het specimen bereikte. Daarna werd de verkregen oplossing geëxporteerd naar een 3D-model met het specimen, waarna de tweede fase van de berekeningen werd uitgevoerd. De verificatie van de computermodellen werd gedaan door middel van experimentele spanningsmetingen van specimens voor verschillende soorten specimens.

De massa van de lading in de tests varieerde van 8, 10, 15, 45 en 60 gram voor GRP en 20 gram voor CFRP. Figuur 2.8 en 2.9 tonen ter illustratie de berekende relaties voor radiale en cirkumferentiële spanningen versus tijd, vergeleken met de experimentele resultaten voor GRP en CFRP (type 3). De overeenstemming tussen de berekeningen en de experimenten werd kwantitatief geëvalueerd aan de hand van de aanpak die werd voorgesteld en gevalideerd in [22]. Deze aanpak maakt gebruik van de complexe coëfficiënt RC, die de discrepantie tussen de twee onstabiele processen in termen van amplitude en fase meet.

Op basis van de berekeningen en experimenten werd een goede overeenkomst vastgesteld, waarbij de RC-coëfficiënt voor de meeste gevallen goed binnen de acceptabele grenzen viel. Er werden echter enkele discrepanties waargenomen, voornamelijk te wijten aan variaties in de werkelijke dikte van het specimen, onnauwkeurigheden in de coördinaten van meetpunten voor spanningsmetingen, fouten bij het modelleren van de randvoorwaarden van het specimen, en andere factoren zoals de nauwkeurigheid van de explosieparameters in de eerste fase van de probleemoplossing.

De spanningen in het specimen werden verder geanalyseerd door de membraanspanningen, buigspanningen en de intensiteit van de spanningen (equivalente von Mises-spanning) te beoordelen in het centrum van het specimen en op de steunpunten van het specimen. De resultaten toonden aan dat de maximale spanningen in het centrum van het specimen en de steunpunten significant werden beïnvloed door de explosie, met een sterke concentratie van de spanningen nabij de explosiebron.

Hoe Multifase Coating de Mechanische Eigenschappen van Titanium Substraten Beïnvloedt

De analyse van de coatings van de monsters N1, N2 en N3 toont aan dat de toepassing van een gevormde ladingtechniek resulteert in de vorming van meerdere fasen op het titaniumoppervlak. Het XRD-profiel van de behandelde oppervlakken laat duidelijk de aanwezigheid van titanium (Ti), titanium-carbide-nitraat (TiCxNy) en titanium-diboride (TiB2) zien. Het meest opvallende is de niet-stoichiometrische aard van de titanium-carbonitride (TiCxNy) fase, wat suggereert dat de koolstof-nitride verbindingen niet in een ideale verhouding zijn gevormd, maar een aanzienlijke invloed hebben op de eigenschappen van het oppervlak. De Fase TiNx in monster N3, ontstaan na drie behandelingen, vertoont een groter kristalgrootte en een sterkere aanwezigheid van titanium in de coating.

De aanwezigheid van titanium in de coatings wordt voornamelijk in de alfa-titaniumvorm (α-Ti) aangetroffen, een structuur die oorspronkelijk hexagonaal dicht gepakt (HCP) is. De verschillende fasen, voornamelijk TiCxNy en TiNx, werden gevormd onder de invloed van de hoge temperatuur en druk tijdens de behandeling. De structuur van titanium-diboride (TiB2), een hard materiaal, was ook aanwezig, hoewel in relatief kleine hoeveelheden, wat wijst op de mogelijkheid van een verhoogde slijtvastheid en hardheid in de behandelde oppervlakken.

De verschillen in samenstelling en kristallijne structuur tussen de drie monsters werden verder geanalyseerd door middel van chemische analyse en microhardheidsmetingen. Monster N3, dat drie keer werd behandeld, vertoonde een lagere koolstofconcentratie in vergelijking met de monsters die slechts eenmaal werden behandeld. De afwezigheid van koolstof in de lagen na meerdere behandelingen suggereert dat koolstofmoleculen mogelijk verbranden bij hoge temperaturen, waardoor ze niet stabiel blijven in de coating.

Een ander belangrijk aspect van de onderzochte coatings is de rol van boron (B). Hoewel de chemische analyse geen boron detecteerde, was het duidelijk aanwezig in de vorm van titanium-diboride (TiB2) in de XRD-datagrammen, wat suggereert dat boron een essentiële rol speelt bij het verbeteren van de mechanische eigenschappen van het coatingmateriaal. De boride-fasen kunnen bijdragen aan de verhoogde slijtvastheid van de coatings.

De resultaten bevestigen dat de synthetisering van meerdere fasen door de gevormde ladingtechniek niet alleen de microhardheid van het titaniumoppervlak verbetert, maar ook de slijtvastheid en mechanische sterkte. Dit effect is te danken aan de fijne, nanoschaalstructuur van de gevormde fasen, zoals TiCxNy, TiN en TiB2, die allemaal aanzienlijk sterker zijn dan het oorspronkelijke titaniummateriaal.

Bij het overwegen van de toepassingen van deze coatings is het belangrijk te begrijpen dat de combinatie van titanium-nitride, titanium-carbonitride en titanium-diboride in een nanostructuur de basis vormt voor een materiaal met een uitzonderlijk verbeterde slijtvastheid, hardheid en mechanische sterkte. Dit kan bijzonder nuttig zijn voor toepassingen in omstandigheden die hoge druk, slijtage of temperatuureisen stellen.

Wat beïnvloedt de schade aan doelen bij perforatie door projectielen?

Bij de analyse van de schade aan verschillende doelmaterialen door verschillende soorten projectielen (ogief, conisch en stomp) werden interessante verschillen in perforatiegedrag en schadepatronen vastgesteld. In dit experiment werden doelen van verschillende diktes (bijvoorbeeld 4 mm, 6 mm, 4+2, 4+1+1) onderworpen aan impact van projectielen met een initiële snelheid van 500 m/s. De resultaten bieden waardevolle inzichten in de dynamiek van perforatie, de mechanische reacties van de materialen, en de invloed van de vorm van het projectiel op het perforatieproces.

In eerste instantie werd opgemerkt dat het doel van 4 mm, dat het dunste was, de minste weerstand bood tegen impact van elk type projectiel. Dit is een logische verwachting gezien de beperkte massa en dikte van het materiaal. Het opvallende was echter dat het dikste doel van 6 mm niet altijd de beste weerstand bood tegen het ogieve en stompe projectiel, zelfs niet tegen de conische projectielen. De perforatiegedrag van dikker materiaal blijkt complexer en niet altijd lineair, wat impliceert dat de dikte van het doel niet altijd een directe indicator is van de weerstand tegen perforatie.

Bij het perforeren van de dunne doelen werd voornamelijk gebruik gemaakt van een doordringingsmechanisme, waarbij het projectiel diep in het materiaal doordrong en het beschadigde oppervlak in de vorm van een 'plug' uit het doel werd geslagen. Dit werd vooral waargenomen bij de impact met een stomp projectiel. Bij dikkere doelen werd echter een ander mechanisme waargenomen, waarbij de concentratie van vernietiging in de binnenste lagen van het doel de perforatieduur verlengde. Dit resulteerde in een langzamere perforatie, voornamelijk als gevolg van de sterke plastische vervorming van de onderste lagen en de formatie van de plug.

Interessant is dat de schade aan het materiaal in het begin van de impactfase het grootste was. De concentratie van vernietiging vond voornamelijk plaats in de middelste lagen van het doel, wat leidde tot een scherpe toename van de schade. Dit fenomeen werd duidelijk zichtbaar in de snelheid van het vrije oppervlak van het doel, dat varieerde van 200 m/s tot 300 m/s afhankelijk van het type projectiel. Het hoogste oppervlaktesnelheid werd bereikt door het doel van 4 mm dat werd getroffen door het ogieve projectiel, terwijl het laagste werd waargenomen bij het doel van 4+2, waar de snelheid zelfs terugliep tot 47,8 m/s vanwege de tweede plugformaties.

Opmerkelijk was ook het effect van de vorm van het projectiel op de perforatieduur en de mate van schade. De tijd voor perforatie was het kortst bij gebruik van het stomp projectiel, vooral bij de doelen van 4 mm en 6 mm. Dit komt doordat het stompe projectiel veel sneller een 'plug' vormde en het doordringen in het materiaal werd gestopt. Het ogieve en conische projectiel daarentegen hadden een gelijkmatige perforatieduur, maar het verschil tussen de verschillende doelmaterialen was duidelijk zichtbaar in de gevormde schadegebieden.

Bij het gebruik van het ogieve projectiel was de schade in de doelmaterialen over het algemeen groter dan bij de stomp of conische projectielen, hoewel de conische projectielen in sommige gevallen vergelijkbare of zelfs grotere schade veroorzaakten, vooral bij de interactie met meerlagenmaterialen zoals 4+2 of 4+1+1. Dit werd bevestigd door de berekende waarden van het resterende snelheid na de perforatie, die hoger waren voor de ogieve en conische projectielen in vergelijking met de stompe projectielen.

Deze numerieke simulaties boden een gedetailleerd inzicht in het perforatieproces en gaven belangrijke aanwijzingen over de eigenschappen van de materialen bij impact. De data toont niet alleen de mechanica van perforatie, maar ook de complexiteit van de verschillende projectielen en doelmaterialen. Het lijkt erop dat de perforatieduur en de mate van schade sterk afhangen van de interactie tussen het projectiel en het doel, en dat de vorm van het projectiel een cruciale rol speelt bij het bepalen van de algehele effectiviteit van de perforatie.

Het is belangrijk te begrijpen dat, hoewel de resultaten duidelijk aantonen dat een dunner doel gemakkelijker te perforeren is, de specifieke aard van het materiaal, de opbouw van de lagen en de interactie met de projectielvorm sterk van invloed zijn op het uiteindelijke perforatiegedrag. Dit benadrukt de complexiteit van ballistische tests en de noodzaak om verschillende factoren in overweging te nemen bij het evalueren van de effectiviteit van bepaalde projectielen tegen verschillende soorten doelmaterialen.

Wat zijn de mechanismen van perforatie bij hoge-snelheidsprojectielen en hun invloed op multilayerdoelen?

Bij impact op multilayerdoelen met hoge-snelheidsprojectielen, bijvoorbeeld bij een initiële snelheid van 500 m/s, wordt het doel vaak doorboord door het projectiel. De numerieke simulatie toont aan dat de penetratie van de projectielen plaatsvond door verschillende mechanismen: het doorboren van de lagen, het uitwerpen van een plug, en een lichte erosie van de punt van het projectiel, gecombineerd met plastische vervorming. Na de perforatie vertonen multilayerdoelen vaak een sterke permanente vervorming van de lagen, maar het niveau van de schade aan het materiaal is relatief laag.

In dit proces speelt de structuur van het doel een cruciale rol. Het zogenaamde "pinching effect", waarbij de lagen van het doel tijdens de impact samengedrukt kunnen worden, werd echter moeilijk in detail te bestuderen met de huidige configuraties van de doelen. De meeste experimenten wezen erop dat het noodzakelijk is om het aantal bovenste lagen te verhogen en de sterktekenmerken van deze lagen te verlagen. Dit lijkt vooral van belang bij projectielsnelheden die dicht bij de ballistische limiet van de doelen liggen.

Het pinching effect kan zich waarschijnlijk voordoen wanneer een projectiel een snelheid bereikt die dicht bij de ballistische limiet van het doel ligt, en vooral wanneer een ogief projectiel het doel raakt. Dit effect wordt het duidelijkst waargenomen wanneer de diameter van het gat in het doel gelijk is aan de nominale diameter van het projectiel, wat typisch het geval is bij ogiefvormige projectielen. Bovendien moet het doel minimaal uit twee lagen bestaan om dit effect effectief waar te nemen.

De effectiviteit van multilayerdoelen bij het afweren van projectielen is dus afhankelijk van een aantal factoren, waaronder de snelheid van het projectiel, de aard van het projectiel (bijvoorbeeld ogiefvormig of met een andere vorm), en de specifieke eigenschappen van de lagen waaruit het doel bestaat. Het is essentieel dat bij de ontwerpkeuzes rekening wordt gehouden met de verwachte snelheden van projectielen en de aard van de impact die het doel waarschijnlijk zal ondergaan.

De numerieke simulaties en experimenten in dit veld suggereren dat er een delicate balans is tussen het aantal lagen en de sterkte van deze lagen. Het toevoegen van meer lagen kan de kans op het afweren van een projectiel vergroten, maar als de sterkte van deze lagen te hoog is, kan dit de kans op het optreden van een pinching effect verkleinen, waardoor het doel in feite kwetsbaarder wordt voor perforatie. De zoektocht naar de optimale samenstelling van materialen en de juiste configuraties van multilayerdoelen blijft een belangrijk onderzoeksgebied, waarbij de wisselwerking tussen de verschillende materiaaleigenschappen een cruciale factor is.

Daarnaast is het van belang dat bij de keuze van materialen voor multilayerdoelen naast de sterkte van het materiaal, ook rekening wordt gehouden met de mogelijkheid van plastische vervorming en de erosie van het projectiel. Dit kan namelijk de algemene effectiviteit van de lagen in de bescherming aanzienlijk beïnvloeden. Materialen die in staat zijn om plastische vervorming te ondergaan, kunnen bijdragen aan het absorberen van de kinetische energie van het projectiel, waardoor de schade aan de onderliggende lagen wordt verminderd.

Wat zijn de belangrijkste benaderingen voor het modelleren van de impactbelasting op poreuze lichamen?

In dit werk worden verschillende benaderingen gepresenteerd om de belasting op een object met eindige massa te bepalen, specifiek wanneer dit object wordt getroffen door een impactor, met een focus op de effecten van porositeit en de complexiteit van het model. De impactoren zijn volumerijk doorboorde staven van aluminiumlegering D16T, waarvan de initiële porositeit varieert van 2.16 tot 4.83, wat de basis vormt voor de karakterisering van hun invloed op de belasting.

De impactoren hebben een massa die varieert afhankelijk van de dichtheid van de gebruikte materialen. Ze zijn ontworpen volgens een set specifieke afmetingen, waarbij de diameter en hoogte van de staven, evenals de porositeit, invloed hebben op de impactbelasting. De invloed van de porositeit is cruciaal, aangezien het effect van de schade en de belasting die op de doelwanden van de staven wordt uitgeoefend, sterk afhankelijk is van hoe de interne structuur van het materiaal zich gedraagt tijdens een impact.

Een belangrijk resultaat van de numerieke modellering, uitgevoerd met behulp van het LS-DYNA-pakket, toont aan dat de voorspelde waarden voor de resterende lengte van de impactor goed overeenkomen met de experimentele gegevens, met een foutmarge van slechts 0,4 tot 5,6%. Dit geeft aan dat de numerieke simulaties effectief de realiteit nabootsen, hoewel enige discrepantie mogelijk wordt toegeschreven aan variaties in de initiële porositeit van de monsters die tijdens de productie kunnen ontstaan.

Verschillende benaderingen, waaronder de one-dimensional rod benadering en de benadering van Riera, leveren vergelijkbare kwalitatieve resultaten op wanneer de impact op een rigide wand wordt gemodelleerd. Het effect van de beweging van de barrière leidt echter tot een afname van zowel de amplitude als de duur van de schokpuls. Bij hogere impact snelheden (150 m/s en hoger) begint het effect van hardening merkbaar te worden, vooral bij dichtere monsters, wat niet volledig wordt meegenomen in Riera's benadering. Het gedrag van de materiaalstructuren verandert significant bij toenemende snelheden, vooral met betrekking tot het vervormingsgedrag van poreuze media, waarbij scheuren en poreuze instortingsfenomenen optreden.

De simulaties tonen aan dat met toenemende snelheid de rol van hardeningseffecten groter wordt, terwijl fluctuaties in de belasting door het instorten van poriën duidelijker worden. Dit effect wordt niet volledig opgevangen door de eenvoudiger benaderingen zoals Riera’s, die alleen gebruik maken van geaverageerde eigenschappen van het medium. Dit duidt op een beperking van de eenvoudiger modellen wanneer nauwkeurigheid vereist is in het modelleren van het dynamische gedrag van poreuze structuren bij hoge snelheden.

De peak load die optreedt tijdens de impact is van groot belang voor het begrijpen van de dynamiek van de belasting. Deze piekbelasting is vaak 1,5 tot 2 keer groter dan de stabiele waarden, en is direct gerelateerd aan de poreuze structuur van de monsters. Simpele benaderingen zoals Riera’s model nemen alleen gemiddelde eigenschappen van het medium in overweging, waardoor de piekbelasting niet nauwkeurig wordt voorspeld. Dit maakt het moeilijker om het gedrag van het materiaal tijdens de initiële en finale fasen van de impact correct te modelleren.

Bij gebruik van het iteratieve model van Riera kan de belasting redelijk goed worden voorspeld voor niet-vaste processen, maar zoals eerder vermeld, schiet het tekort in het reproduceren van het initiële piekgedrag van de impact. Dit is een belangrijk punt voor verdere studies, aangezien de piekbelasting de mate van schade kan bepalen en het falen van het materiaal initieert. Het gebruik van een één-dimensionaal model biedt een benadering die de algemene last kan voorspellen, maar slaagt er niet in om de fijnere details van de initiële belasting en het daaropvolgende vervormingsgedrag te vangen.

Ten slotte is het belangrijk om te begrijpen dat voor het gebruik van Riera’s benadering, de sterktecomponent van de belasting van tevoren moet worden bepaald. In dit werk werd deze component bepaald op basis van numerieke simulaties van quasi-statische compressie van monsters. Bij een aanzienlijke verplaatsing van de barrière als gevolg van de impact, wordt het noodzakelijk om de belasting aan te passen. De iteratieve benadering zorgt ervoor dat na enkele iteraties de belasting niet langer significant verandert, wat bijdraagt aan de stabiliteit van de berekeningen.