Advances in Hopkinson bar tests: calibration of constitutive models at high strain rate using finite element method updating and image processing

This thesis work reports on a mainly accurate and precise physical and experimental data capture as well as data processing system for high strain rate tests using the split Hopkinson bar. The split Hopkinson bar is the most commonly used method of employing dynamic tests, determining material properties and characterize the dynamic response of materials at high strain rate. Using a recent well equipped split Hopkinson bar developed by mechanical engineering design department of Ancona University, accurate and precise experimental data as well as high-speed image capturing of aluminum alloy AA6061-T6 samples are obtained for high strain rate testing. Different sizes of tensile and compression samples of same material were used and data were studied in order to calibrate material properties using Johnson-Cook constitutive plasticity model. Johnson-Cook material coefficients have been characterized using different approaches. The first approach involves classical Finite Element Method Updating (FEMU) where numerical simulations are repeated with different material parameters until the deviation of experimental, as well as numerical data, falls below an acceptable threshold. The second method, commonly known as FastCAM, is based on the analysis of the digital images attained by a fast camera during the tests and calibrates the Johnson-Cook model by an analytical minimization procedure in the absent of FE simulation. Furthermore, the third inverse technique was also implemented, consisting of applying the FE model updating but using an enriched cost function, where also the mismatch between the numerical and acquired specimen shape profiles is included and minimized. Furthermore, two additional steel based materials with confidential alloy composition (cast by a research center) are tested. To finalized, the advantages and drawbacks of the different techniques are assessed and compared.

Questa tesi concerne lo sviluppo di un sistema di processamento di dati fisici e sperimentali per test ad elevata velocità di deformazione tramite la barra di Hopkinson. La barra di Hopkison è la tipologia di test più utilizzata comunemente per svolgere test dinamici, determinando le proprietà dei materiali caratterizzandone la risposta dinamica ad elevate velocità di deformazione. Utilizzando una barra di Hopkinson progettata e realizzata recentemente dal gruppo di costruzione di macchine della Università Politecnica delle Marche, dati sperimentali accurati e precisi cosi come immagini catturate ad alta velocità di provini in alluminio AA6061-T6 possono essere ottenuti in test svolti ad elevate velocità di deformazione. Provini di dimensioni diverse sia di trazione che di compressione dello stesso materiale sono stati utilizzati e i risultati analizzati col fine di calibrare le proprietà del materiale utilizzando il modello plastico constitutivo di Johnson-Cook. I coefficienti dei materiali secondo Johnson-Cook sono stati caratterizzati utilizzando approcci differenti. Un primo approccio coinvolge il cosiddetto metodo FEMU (Finite Element Method Updating) dove simulazioni numeriche sono ripetute cambiando di volta in volta i parametri del materiale sino a che la deviazione sperimentale e numerica non scenda sotto una soglia ritenuta accettabile. Il secondo metodo, denominato FastCAM, si basa sulla analisi digitale delle immagini ottenute grazie ad una camera con alto rateo di acquisizione immagini ottenute durante il test e calibrando il modello di Johnson-Cook con minimizzazioni analitiche senza la necessità di simulazioni ad elementi finiti. Inoltre, una terza tecnica inversa è stata implementata, la quale consiste nell'applicare il FEMU ma utilizzando una funzione di costo dove anche una differenza tra i profili dei provini numerici e quelli ottenuti sperimentalmente è considerata e minimizzata. In aggiunta, due provini in acciaio con una ben definita composizione (ottenuta da un centro di ricerca) sono stati testati. Per concludere, i vantaggi e svantaggi delle diverse tecniche sono stati valutati e confrontati tra loro.