5
การประชุมวิชาการเครือขายวิศวกรรมเครื่องกลแหงประเทศไทยครั้งที22 15-17 ตุลาคม 2551 มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร ศูนยรังสิต ระบบยิง Striker ดวยลมอัดสําหรับ Split Hopkinson Pressure Bar Compressed-Air Striker Launching System for Split Hopkinson Pressure Bar เอกวัฒน นิลวิจิตร * , ฐิตะพล หุยะนันท ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร 51 .เชื่อมสัมพันธ หนองจอก กรุงเทพมหานคร 10530 โทร 086-298-8510 * e-mail: [email protected] * บทคัดยอ Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) เปนเทคนิคที่รูจักกันดี ในการทดสอบหาคุณสมบัติเชิงพลวัตของโลหะที่อัตราความเครียดสูง (10 2 -10 4 s -1 ) เทคนิคนี้เปนการพัฒนาบนทฤษฎีของการเคลื่อนที่ของ คลื่นตามยาวในแทงกลม โดยใชการกระแทกของ Striker เปนตน กําเนิดความเร็วเขากระแทกสําหรับสรางคลื่นความเคนอัดใน Pressure Bar บทความนี้เปนการนําเสนอระบบยิง Striker ดวยลมอัดซึ่งสามารถ ควบคุมความเร็วเขากระแทกของ Striker คาที่กําหนดดวยระบบ Electro-Pneumatics ในชวงความดันใชงานไมเกิน 15 bar โดย Striker ทั้งสองที่ใชในการทดลองเปนเพลากลมตันขนาดเสนผานศูนยกลาง 26 mm ที่ความยาว 0.50 m น้ําหนัก 2.17 kg และที่ความยาว 0.25 m น้ําหนัก 1.11 kg จากผลการทดลองพบวา ความดัน 14 bar Striker ยาว 0.50 m มีความเร็วเขากระแทกที่ทําไดสูงสุดเทากับ 28.05 m/s ขณะทีStriker ยาว 0.25 m มีความเร็วเขากระแทกที่ทําไดสูงสุดเทากับ 45.95 m/s โดยผลตางจากคาทางทฤษฎีของความเร็วเขากระแทกเฉลี่ย ของ Striker ยาว 0.50 และ 0.25 m ตลอดชวงการทดลองเทากับ 1.18 m/s และ 3.67 m/s ตามลําดับ และเมื่อนําคาความเร็วเขากระแทกที่ได ไปคํานวณหาอัตราความเครียด พบวา สามารถทดสอบ St.A30 และ Copper ไดทีStrain rate ในชวงของ 10 2 s -1 ขณะทีAluminum สามารถทดสอบไดทีStrain rate ซึ่งอยูในชวง 10 2 ถึง 10 3 s -1 ดังนั้นจึง สรุปไดวา ระะบบยิง Striker ดวยลมอัดนี้สามารถนําไปใชในการ ทดสอบคุณสมบัติเชิงพลวัตดวยเทคนิค SHPB ได Abstract Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) is a well-recognized technique for measuring dynamic properties of metal at high strain rate (10 2 -10 4 s -1 ). This technique was developed on theory of longitudinal wave propagation in rod in which a compressive stress wave is generated by an impact velocity of striker. This paper represents a compressed-air Striker Launching System which is capable of controlling the impact velocity of striker at a setup value by means of an electro-pneumatics system within a range of 15 bar of working pressure. Two 26 mm in diameter strikers (0.50 m in length weighted 2.17 kg and 0.25 m weighted 1.11 kg) were used to conduct the tests. It was found that, at the 14 bar working pressure, the maximum impact velocity generated by both 0.50 m and 0.25 m strikers are 28.05 m/s and 45.95 m/s respectively. Throughout the experiment, both average maximum of the measured velocities are lower than the theoretical values: 1.18 m/s for the 0.50 m striker and 3.67 m/s for the 0.25 m striker. Within a range of available impact velocities from this system, it can be stated that St.A30 and Copper can be conducted at range of 10 2 s -1 while Aluminum is in a conducting range of 10 2 -10 3 s -1 . Therefore it can be concluded that the SHPB test can be conducted by a use of this Compressed-Air Striker Launching System. 1. บทนํา กระบวนการผลิตชิ้นสวนเครื่องจักรสวนใหญในปจจุบัน อธิเชน กระบวนการกัด การกลึง พบวาวัสดุมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ ระหวางกระบวนการผลิตที่อัตราความเครียดสูงมากกวา 10 s -1 ซึ่งคา คุณสมบัติที่ไดจากเครื่อง UTM ที่ใชทําการทดสอบหาคุณสมบัติของ วัสดุ เปนคุณสมบัติของวัสดุที่อัตราความเครียดนอยกวา 1 s -1 ดังนั้นคา คุณสมบัติที่ไดจึงไมสามารถนําไปใชกับกระบวนการผลิตชิ้นสวนที่วัสดุ มีการเปลี่ยนแปลงอัตราความเครียดสูงได การทดสอบหาคาคุณสมบัติ ที่อัตราความเครียดสูงจึงมีความสําคัญอยางมาก รูปที1 Split Hopkinson Pressure Bars for French-German Research Institute of Saint-Louis

Paper AMM069

Embed Size (px)

Citation preview

  • 22 15-17 2551

    Striker Split Hopkinson Pressure Bar

    Compressed-Air Striker Launching System for Split Hopkinson Pressure Bar

    *,

    51 . 10530 086-298-8510* e-mail: [email protected]*

    Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) (102-104 s-1) Striker Pressure Bar Striker Striker Electro-Pneumatics 15 bar Striker 26 mm 0.50 m 2.17 kg 0.25 m 1.11 kg 14 bar Striker 0.50 m 28.05 m/s Striker 0.25 m 45.95 m/s Striker 0.50 0.25 m 1.18 m/s 3.67 m/s St.A30 Copper Strain rate 102 s-1 Aluminum Strain rate 102 103 s-1 Striker SHPB

    Abstract Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) is a well-recognized technique for measuring dynamic properties of metal at high strain rate (102-104 s-1). This technique was developed on theory of longitudinal wave propagation in rod in which a compressive stress wave is generated by an impact velocity of striker. This paper represents a compressed-air Striker Launching System which is capable of controlling the impact velocity of striker at a setup value by means of an electro-pneumatics system within a range of 15 bar of working pressure. Two 26 mm in diameter

    strikers (0.50 m in length weighted 2.17 kg and 0.25 m weighted 1.11 kg) were used to conduct the tests. It was found that, at the 14 bar working pressure, the maximum impact velocity generated by both 0.50 m and 0.25 m strikers are 28.05 m/s and 45.95 m/s respectively. Throughout the experiment, both average maximum of the measured velocities are lower than the theoretical values: 1.18 m/s for the 0.50 m striker and 3.67 m/s for the 0.25 m striker. Within a range of available impact velocities from this system, it can be stated that St.A30 and Copper can be conducted at range of 102 s-1 while Aluminum is in a conducting range of 102-103 s-1. Therefore it can be concluded that the SHPB test can be conducted by a use of this Compressed-Air Striker Launching System. 1.

    10 s-1 UTM 1 s-1

    1 Split Hopkinson Pressure Bars for French-German

    Research Institute of Saint-Louis

  • 10 s-1 Taylor[1] Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)[2] SHPB stress wave SHPB (Specimen) SHPB Specimen, Striker, Incident Bar Transmitted Bar, Momentum Trap Striker Striker Striker Striker SHPB Electro-Pneumatics 15 bar Striker 26 mm 0.50 m 2.17 kg 0.25 m 1.11 kg 2. Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)

    - SHPB 1 (One-Dimensional Elastic Wave) Kolsky [2,5] Elastic Bar Elastic Wave Pressure Bar (Incident Bar Transmitted Bar) Pressure Bar

    Incident Strain Wave, Reflected Strain Wave Transmitted Strain Wave ,i r , t Incident Bar 1u Transmitted Bar 2u 2

    2u1u

    sl

    ir t

    2 Incident Bar, Transmission Bar

    (Specimen) [2]

    Cauchy [3] 1

    2 2

    2 2 20

    1u ux c t = , 0

    Ec = (1) 0c Longitudinal Wave Pressure Bar E Pressure Bar Pressure Bar Pressure Bar DAlembert [3] 2

    ( ) ( ) ( )1 1 0 1 0,u x t f x c t g x c t= + + ( ) ( )2 2 0,u x t f x c t= (2)

    1f , 1g 2f Function Incident Wave Reflected Wave Transmitted wave Pressure Bar

    SHPB Pressure Bar Pressure Bar 3 4

    ( )1 i rF AE = + (3) 2 tF AE= (4)

    A Pressure Bar E Pressure Bar SHPB Pressure Bar Force Equilibrium Deforming Uniformly ( )1 2F F= 3 4 5

    i r t = + (5) ( ) 6

    02 rs

    cl =

    (6)

    Longitudinal impact of two rod

    2 0v =1v

    x1l 2

    l2 2 2v E1 1 1v E

    3 [3]

    3 1 2 1 2 1 2, ,E E A A = = =

  • 2l = 3 ( )0t = DAlembert [3]

    1V 2 0V = 2 7

    ( ) ( ) ( )1 1 1 1,v x t c f x c t c g x c t = + + ( ) ( ) ( ){ }1 1,x t E f x c t g x c t = + + (7)

    Pressure Bar 8

    1 1 1

    2cV = (8)

    Transmission into another rod (Reflect wave) (transmitted wave) Pressure Bar

    2 2c1 1c r

    it

    4 Incident wave, Reflect wave Transmit wave

    [4] 4 Pressure Bar 9

    ( )1 2i r tA A + = (9) Reflected wave

    2 2 2 1 1 11 1 1 2 2 2

    r i

    A c A cA c A c

    = +

    2 2 2 1 1 1

    1 1 1 2 2 2

    A c A cA c A c

    = +

    Reflected wave 10

    r i = (10)

    3. Striker ( ) 6 SHPB Striker 102-104 s-1 Striker

    3.1 Striker SHPB Striker ( ) 6 Striker

    02 rs

    cl E =

    8 10 6 0 1c c=

    21 1 1

    s

    c Vl E

    = Striker Strain rate

    1 21 1

    sl EVc=

    Striker Strain rate 102-104 s-1 Striker Copper, Aluminum St.A30 1

    1 [5,6]

    Materials Density: ( 3/kg m )

    Youngs modulus: E (Gpa )

    Copper 8,740 101 Aluminum 2,790 73.1

    St.A30 7,850 200 St.4340 7,850 205

    2

    (m/s) Strain rate L/D = 1.5 L/D = 2

    Mater

    ials

    102 103 104 102 103 104 copper 7.11 71.05 710.50 9.47 94.73 947.34

    Aluminum 4.39 43.90 439.04 5.85 58.54 585.39 St.A30 10.24 102.47 1024.71 13.66 136.62 1366.28

    Pressure Bar St.4340 1 26 mm 2.5 m SHPB L/D 1.5-2 Pressure Bar 0.75 25% SHPB Striker Strain rate 2(Air Gun)

  • 3.2 (Air Gun)

    Striker FN

  • 5.46 m/s Striker

    Striker

    20

    30

    40

    50

    60

    (m

    /s)

    7

    Striker 2 0.50 m 2.17 kg 0.25 m 1.11 kg 6.

    Striker 2 Striker 0.5 m 0.25 m 2 bar 10.25 m/s 16.77 m/s 14 bar 28.67 m/s 47.72 m/s Striker s ( 5) Striker Striker Striker 0.5 m 0.25 m 1.18 m/s 3.67 m/s St.A30 Copper Strain rate 102 s-1 aluminum Strain rate 102 103 s-1 Striker SHPB

    1 Gordon R. Johnson, William H. Cook, A Constitutive

    model And Data for Metals Subjected to Large Strains, High Strain Rates And High Temperatures Proc. 7th Int. Symp. on Ballistics 1983, 541-547

    2 Michael Adam Kaiser, Advancements in the Split Hopkinson Bar Test, Blacksburg Virginia ,1998

    3 Karl F. Graff, Wave Motion in Elastic Solid, by Oxford University, 1975

    4 Wang Li-li, Foundations of Stress Waves First Edition 2007, Elsevier BV. All rights reserved, 2007

    5 Michael R. Staker, Army Materials & Mechanic Research Center ASM Handbook Volume 8 Mechanical Testing, metals Handbook, 1945-1973

    6 R.C. Hibber Mechanics of Materials Fifth Editiomn,2003

    thv Striker 0.25 m

    thv Striker 0.50 m

    expv Striker 0.25 m

    expv Striker 0.50 m