Publication: Advanced constitutive relations for modeling thermo-viscoplastic behaviour of metallic alloys subjected to impact loading
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Publication date
2010-02
Defense date
2010-02-19
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Abstract
In this doctoral Thesis the thermo-viscoplastic behaviour of metallic alloys used for structural protection purposes has been analyzed. The study includes the proposition of advanced constitutive relations and their integration into numerical models. These numerical models are validated for impact problems within the low-intermediate range of impact velocities (until 85 m/s). The advanced constitutive relations derived are based on the Rusinek-Klepaczko model whose validity is extended to metallic alloys showing dependence on plastic strain on the volume thermally activated. In addition the constitutive relations developped allow describing macroscopically viscous drag effects at high strain rates, negative strain rate sensitivity and martensitic transformation phenomena. Implementation of previous constitutive relations has been conducted into the FE code ABAQUS/Explicit. Thus, development of numerical models for the simulation of ring expansion test and conventional dynamic tension test has allowed analyzing the formation of plastic instabilities. In this analysis the effects of strain rate sensitivity, strain hardening and plastic wave propagation have been considered. Finally, it has been examined the impact behaviour of metallic alloys widely used for structural protection purposes: the mild steel ES, the aluminium alloy 2024-T3, the steel AISI 304 and the steel TRIP 1000. For that goal conventional characterization tests as well as impact tests have been conducted. Numerical models based on the constitutive relations derived have been developped in order to simulate the impact tests. These numerical models offered a suitable description of the perforation process in terms of ballistic limit and the associated failure mode of the target.-----------------------------------------------------------------
En esta tesis doctoral se ha analizado el comportamiento termo-viscoplástico de aleaciones metálicas de aplicación en la protección frente a impacto. El estudio incluye la proposición de ecuaciones constitutivas avanzadas, su implementación en modelos numéricos y la validación de los mismos con aplicación en problemas de impacto en el rango de velocidades bajo-medio (hasta 85 m/s). Las ecuaciones constitutivas avanzadas que se plantean toman como base la ley de endurecimiento de Rusinek-Klepaczko y extiende su validez a metales que presentan sensibilidad a la velocidad de deformación dependiente de la deformación plástica. Las ecuaciones constitutivas consideradas permiten describir macroscópicamente los efectos viscosos a altas velocidades de deformación, la sensibilidad negativa a la velocidad de deformación y los fenómenos de transformación martensítica. La implementación de las ecuaciones constitutivas anteriores se ha llevado a cabo en el código de elementos finitos ABAQUS/Explicit. Así, el desarrollo de modelos numéricos para las configuraciones del ensayo convencional de tracción dinámica y del ensayo de expansión de anillo ha permitido analizar las causas que residen detrás de la formación de inestabilidades plásticas. En el análisis se ha considerado la influencia de la sensibilidad a la velocidad de deformación, el endurecimiento por deformación y el efecto de la propagación de ondas. Finalmente se ha examinado el comportamiento frente a impacto de metales de amplia aplicación como estructuras de protección: el acero suave ES, la aleación de aluminio 2024-T3, el acero AISI 304 y el acero TRIP 1000. Para ello, se han llevado a cabo ensayos experimentales de caracterización mecánica convencional y ensayos experimentales de impacto mediante proyectil indeformable. La utilización de modelos numéricos que implementan las ecuaciones constitutivas desarrolladas proporciona una adecuada descripción del proceso de impacto en términos del límite de velocidad de perforación y del modo de fallo asociado.
En esta tesis doctoral se ha analizado el comportamiento termo-viscoplástico de aleaciones metálicas de aplicación en la protección frente a impacto. El estudio incluye la proposición de ecuaciones constitutivas avanzadas, su implementación en modelos numéricos y la validación de los mismos con aplicación en problemas de impacto en el rango de velocidades bajo-medio (hasta 85 m/s). Las ecuaciones constitutivas avanzadas que se plantean toman como base la ley de endurecimiento de Rusinek-Klepaczko y extiende su validez a metales que presentan sensibilidad a la velocidad de deformación dependiente de la deformación plástica. Las ecuaciones constitutivas consideradas permiten describir macroscópicamente los efectos viscosos a altas velocidades de deformación, la sensibilidad negativa a la velocidad de deformación y los fenómenos de transformación martensítica. La implementación de las ecuaciones constitutivas anteriores se ha llevado a cabo en el código de elementos finitos ABAQUS/Explicit. Así, el desarrollo de modelos numéricos para las configuraciones del ensayo convencional de tracción dinámica y del ensayo de expansión de anillo ha permitido analizar las causas que residen detrás de la formación de inestabilidades plásticas. En el análisis se ha considerado la influencia de la sensibilidad a la velocidad de deformación, el endurecimiento por deformación y el efecto de la propagación de ondas. Finalmente se ha examinado el comportamiento frente a impacto de metales de amplia aplicación como estructuras de protección: el acero suave ES, la aleación de aluminio 2024-T3, el acero AISI 304 y el acero TRIP 1000. Para ello, se han llevado a cabo ensayos experimentales de caracterización mecánica convencional y ensayos experimentales de impacto mediante proyectil indeformable. La utilización de modelos numéricos que implementan las ecuaciones constitutivas desarrolladas proporciona una adecuada descripción del proceso de impacto en términos del límite de velocidad de perforación y del modo de fallo asociado.
Description
Keywords
Thermo-viscoplastic behaviour, Metallic alloys, Numerical methods, Comportamiento termo-viscoplástico, Aleaciones metálicas, Métodos numéricos