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Split Hopkinson Pressure Bar

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SHPB CAD Image.png

(Rechts) Tatsächliches Bild des zusammengebauten SHPB.
(Links) Endgültiges SHPB SolidWorks Modell vor der Montage

Was ist ein Split Hopkinson Pressure Bar?
Ein Split Hopkinson Pressure Bar (manchmal auch Kolsky Bar oder SHPB genannt) ist ein Gerät, das verwendet wird, um die einzigartige Spannungs-Dehnungs-Reaktion von Materialien während dynamischer Belastung zu charakterisieren. Sie nutzen die Wellenmechanik, indem sie den Teil einer von einem Schlaggerät erzeugten Spannungswelle messen, der nicht von einer Probe absorbiert wird, um die Auswirkungen in einem Probenmaterial zu ermitteln.

Die Spannungswelle wird von zwei hochempfindlichen Dehnungsmessstreifen an identischen Stäben gemessen, die die Probe einschließen, und ist rechts schematisch dargestellt. Diese Geräte werden im Handel für ca. 20.000 US-Dollar, aber mit einer Forschungsgruppe an der Northeastern University habe ich daran gearbeitet, einen Miniatur-SHPB zu entwerfen und

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Schematische Übersicht der SHPB-Apparate

zu konstruieren, um die Spannungs-Dehnungs-Reaktion von Polymeren und Metallen während der Belastung zu charakterisieren und eine Dehnungsrate in der Größenordnung von 1000-4000 s^- 1, für 20% des Marktpreises, zu erreichen.

Meine Forschung:

Jeder SHPB muss für eine gewünschte Materialfamilie (Metalle, Polymere, Keramik usw.) und einen angestrebten Dehnungsratenbereich maßgeschneidert werden. Typischerweise erreichen SHPB-Apparate Dehnungsraten in der Größenordnung von 100 – 1000 s^-1 und liegen bei etwa 20 m lang.

Aber meine Forschungsgruppe ist daran interessiert, Dehnungsraten zu charakterisieren, die um mehrere Größenordnungen höher sind.

 

Meine Aufgaben als Teil dieser Gruppe bestanden darin, die relevante Theorie hinter dem SHPB zu erlernen und eine Methode zu entwickeln, um unsere gewünschten hohen Dehnungsraten zu berücksichtigen. Die Methode, an deren Entwicklung ich im letzten Jahr gearbeitet habe, erfordert, dass das Gerät von 20 m auf < 5 m Gesamtlänge geschrumpft wird, um einen kürzeren einfallenden Impuls zu übertragen. Dabei habe ich ein sogenanntes Miniatur-SHPB entwickelt, weil es Miniatur ist. 

Nach monatelanger Forschung und Parameterberechnung arbeitete ich an der Entwicklung einer FEA-Simulation in Abaqus, um das Gerät zu modellieren und die zu erreichenden Dehnungsraten zu bestimmen.

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Abaqus FEA-Modelle des SHPB-Systems und der erwarteten Stressreaktion

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Bearbeitete Dreiecksstützen für die axiale Ausrichtung der Stangen

Nachdem alle Vorarbeiten geleistet und alle wichtigen Parameter eingestellt waren, arbeitete ich daran, den Rest des Geräts zu produzieren: Ich habe eine Gaspistole entwickelt, um einen Schläger mit strömungsmechanischen Kenntnissen zu beschleunigen, ein Geschwindigkeitsmesssystem und ein Startsystem mit Arduino programmiert, und erstellte eine detaillierte CAD-Modelldetaillierung

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SolidWorks-Modell von Gaspistolen- und Geschwindigkeitsmesssystemen

Vor Kurzem konnte meine Gruppe zum Innovation Campus der Northeastern University in Burlington, Massachusetts, kommen, um mit dem Montageprozess unseres Geräts zu beginnen. Der Zusammenbau hat einige Tage gedauert und wir gehen nun in die aufwändigere Aufgabe der Kalibrierung des Systems über. Die SHPB funktioniert basierend auf einigen Schlüsselannahmen, von denen eine die Übertragung eines eindimensionalen Wellenpulses ist. Um diesen Idealzustand zu erreichen, habe ich viel Aufwand betrieben, um genaue Fertigungstoleranzen der wesentlichen Komponenten sicherzustellen, aber das System muss noch akribisch axial ausgerichtet werden, um korrekte Ergebnisse zu erzielen.  

Eine detailliertere Beschreibung der Arbeit und Berechnung, die in die Systemauslegung eingeflossen sind, finden Sie in dieser Zusammenfassung von der SHPB-Apparat, den ich im August 2021 geschrieben habe:

Bild der aktuellen SHPB-Montage.

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