[논문 리뷰] Use of the Kolsky Bar Method for Studying High-Rate Deformation Processes in Materials of Various Physical Natures

А. М. Брагов, А. К. Ломунов|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 31.

High-Velocity Impact and Material Behavior참고 문헌 221인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다양한 재료에서 고속 압축 변형을 연구하기 위한 콜스키 바 방법을 평가하며 관성 및 마찰으로 인한 오차를 다룹니다. 관성 및 마찰 오차를 보정하기 위한 새로운 수정 기법을 제안하여 연성 재료뿐만 아니라 취성 재료 등에까지 적용 범위를 크게 확장합니다.

ABSTRACT

An analysis is presented of the applicability of the Kolsky technique for studying the high-rate deformation processes of structural materials under compression. Errors in the method caused by inertia and friction are estimated. Modifications of the Kolsky method for studying the properties of materials subjected to various stress-strain states are considered. Original modifications of the method are presented that significantly expand the range of mechanical properties that can be investigated. Issues connected with using the Kolsky method to study the properties of brittle materials are analyzed.

연구 동기 및 목표

• 구조 재료의 고속 변형 거동를 연구하는 데 있어 콜스키 바 방법의 신뢰성과 한계를 평가하는 것.
• 관성 및 마찰 효과로 인해 발생하는 콜스키 바 방법의 응력 및 변형률 측정 오차를 규명하고 정량화하는 것.
• 다양한 응력-변형률 상태에 처한 재료를 대상으로 수정된 콜스키 바 구성을 개발하고 검증하는 것.
• 기존의 설정으로는 전통적으로 어려웠던 취성 재료에 대한 적용 범위를 확장하는 것.
• 혁신적인 방법론적 적응을 통해 동적 하중 조건 하에서 측정 가능한 기계적 성질의 범위를 넓히는 것.

제안 방법

• 고변형률 압축 시험을 위해 콜스키 바(분할 호프킨슨 압력 바) 설정을 사용하여 재료를 시험합니다.
• 응력 및 변형률 측정의 관성 및 마찰 오차는 동적 평형 및 마찰 모델을 사용하여 분석적으로 추정하고 보정합니다.
• 다양한 재료 유형과 응력 상태에 적합한 새로운 고정장치 및 게이지 설계를 포함한 수정된 콜스키 바 구성이 제안됩니다.
• 응력 집중을 최소화하고 시편 기하학을 최적화하여 취성 재료에 대한 적용을 가능하게 하기 위해 방법이 적응되었습니다.
• 파동 전파를 측정하고 응력 및 변형률 역사 계산을 위해 입사 및 투과 바에 strain gauge를 부착합니다.
• 데이터 분석은 비이상적 파동 전파 및 경계 효과를 고려하기 위해 파동 신호의 역데컨볼루션과 보정 요소의 적용을 포함합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관성 및 마찰은 콜스키 바 방법에서 응력 및 변형률 측정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 물리적 성질을 지닌 재료에 대해 콜스키 바 설정을 어떻게 수정하면 측정 신뢰성이 향상되는가?
• RQ3 콜스키 바 방법은 고속 압축 하에서 취성 재료를 효과적으로 연구하는 데 적용될 수 있는가?
• RQ4 표준 콜스키 바 기법은 다양한 재료군에서 동적 기계적 성질을 측정하는 데 어떤 한계를 지니는가?
• RQ5 이상적인 축압축 이외의 복잡한 응력-변형률 상태에 처한 재료를 연구하기 위해 방법을 어떻게 적응시킬 수 있는가?

주요 결과

• 관성 및 마찰 효과로 인해 응력 및 변형률 계산에 측정 가능한 오차가 발생하며, 이는 분석 모델을 통해 정량화하고 보정할 수 있다.
• 제안된 수정 사항은 특히 낮은 연성 또는 높은 탄성 계수를 지닌 재료에서 측정 불확도를 크게 감소시킨다.
• 적응된 콜스키 바 설정은 이전에는 시편 파손 및 파동 반사 문제로 인해 평가하기 어려웠던 취성 재료의 신뢰할 수 있는 시험을 가능하게 한다.
• 이로 인해 방법의 적용 범위가 넓어져 다양한 재료에서의 동적 기계적 성질, 예를 들어 항복 강도 및 변형률 속도 민감도 등을 더 넓은 스펙트럼으로 특성화할 수 있게 되었다.
• 보정된 데이터는 특히 고변형률 속도에서 응력-변형률 곡선의 일관성이 향상되어 수정 사항의 효과를 검증한다.
• 적절한 校정 및 구성 조건을 갖춘 콜스키 바 방법은 복합재, 세라믹, 금속 등 다양한 물리적 성질을 지닌 재료에 대해 신뢰성 있게 적용될 수 있음을 본 연구는 입증한다.