Nervaduras de refuerzo ligeras en placas estructurales. - diseños de placas metálicas

Procesamiento por fricción y agitación (FSP)
Se ha utilizado para refinar la estructura de partículas en chapa metálica y soldadura basada en fricción por agitación (FSW).
Principios para el desarrollo y adquisición de patentes por Cambridge TWI Co., Ltd. en 1991 [1,6, 7].
Procesamiento por fricción y agitación (FSP)
La herramienta genera calor a través de la fricción y la presión, haciendo que el material sea plástico sin derretirse.
Luego, la herramienta mezcla el material base con un movimiento circular a lo largo del material horizontalmente (Figura 1).
Se pueden añadir nanopartículas 2D o 3D (Figura 2)
Cambiar la rigidez del material (módulo de Young).
Cuando la velocidad de mezcla rotacional es alta en relación con la velocidad de propulsión, se obtiene una mejor mezcla del material.
Si se procesa desde ambos lados, la placa RHA se puede procesar hasta una profundidad de 1/4 "o 1/2.
Por ejemplo, la dureza y la resistencia al desgaste del hierro fundido de partículas tib2 con agitación por fricción dieron como resultado 2x ASTM G35 (Figura 3)[2, 3,8].
Dado que FSP no es un proceso de conformado, el patrón de la nervadura puede ser cualquier patrón 2D (
Recta, redonda, espiral, etc.).
Enfoque principal de TheNano-
El FSP mejorado tiene como objetivo lograr un aumento en la rigidez local con una densidad de material local mínima para lograr un peso liviano.
La adición de nano-
Además del refinamiento de la microestructura local de las partículas, las partículas también mejoran las propiedades mecánicas, como una mayor resistencia al rendimiento (YS).
Módulo elástico [4]
Antes de evaluar el efecto del refuerzo FSP, es necesario el método de simulación FSP para establecer los materiales básicos: las propiedades explosivas y balísticas de las aleaciones de aluminio 5182 y 7075 y el acero con armadura uniforme rodante ponderado equivalente (RHA).
La figura 4 muestra las placas balísticas y de voladura de 4'x4' utilizadas en la simulación.
Las placas de aluminio 5182 y 7075 pesan 282 kg y tienen un espesor de 31,8 mm.
El equivalente en masa es 10,9 mm de espesor.
Se seleccionaron dos modos de refuerzo FSP para analizar la rigidez local de los metales básicos Al 5182 y 7075.
El espaciado de las costillas del FSP es de 4 pulgadas y el espesor es de media pulgada.
La Figura 5 muestra que se estima que las propiedades del material de las dos matrices de simulación de patrones de nervaduras FSP y las propiedades del material de las nervaduras FSP seleccionadas en este estudio representan un cambio en las propiedades de las aleaciones de metal base (Tabla 1).
En este estudio en particular, el módulo elástico de las nervaduras FSP aumentó en un 100%, el YS aumentó en un 50% con respecto al material del sustrato y la densidad aumentó en un 10%.
En la Tabla 2 se muestra la matriz de los estudios de simulación realizados.
La línea base fue Al 5182.
También se simula el equivalente de masa de RHA (RHA equivalente).
Para estudiar qué aspecto de los nanomateriales tiene mayor influencia, se estudiaron respectivamente el módulo elástico y el límite elástico de los nanomateriales.
Finalmente, para obtener una comprensión profunda de la estructura de la cresta, las costillas se estudiaron solo en la dirección Y, X e Y, y se cubrió completamente el sustrato AL 5182.
La simulación de explosión se realiza mediante el uso del modelo de placa del Ministerio de Defensa y Desarrollo de Canadá (DRDC).
El motor de simulación es LS-
Solucionador no lineal explícito.
La figura 6 muestra la configuración de simulación del modelo de explosión.
El C4 se utiliza como material explosivo, enterrado a 50 mm (2 pulgadas) de profundidad.
En lo profundo del suelo.
Como se muestra en la figura, el espacio entre la placa y el suelo es de 16 pulgadas.
Coloque la calidad absoluta de 10,620 kg en la parte superior del marco fijo para simular la calidad del vehículo blindado ligero (LAV).
Lagunas arbitrarias en Euler (ALE)
Este método se utiliza para simular la explosión.
En ALE, se crea y fija una cuadrícula sólida de fondo, y el material pasa a través de cada unidad como una fracción de volumen.
El alto explosivo se caracteriza utilizando mat_high_plosve_burn y eos_jwl.
Alta explosión (HE)
La definición de geometría utilizando INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY.
Las dimensiones utilizadas en este estudio son 254 de diámetro y 76 de diámetro.
2 mm de altura, densidad 1630 kg/[m. sup. 3]
La velocidad de explosión es de 6930 m/s.
El aire se representa como MAT nulo por eos _ gas ideal.
Hay muchos modelos de suelo diferentes disponibles como referencia, y este estudio utiliza mat_elastic_plstice_water_spall (EPH).
Densidad seca 1852 kg/[m. sup. 3]
Módulo volumétrico (K) de 50,00 GPa.
Las placas metálicas básicas y las costillas FSP se modelan con Johnson-
Modelo de resistencia y falla de Cook y modelo de ecuación de estado (EOS) de Mie Glenson. El LS-
La figura 7 muestra una tarjeta de material dinámico con parámetros de resistencia y falla AL 5182.
Las propiedades del material de la costilla FSP provienen del modelo AL5182 (Figura 8).
Según la Tabla 1, las propiedades de los materiales de nervadura FSP se amplifican a partir del metal base AL5182.
Debido a la disponibilidad limitada de los efectos de la velocidad de deformación y los parámetros de daño de la costilla FSP, se decidió utilizar todos los efectos de la velocidad de deformación y los parámetros de daño del al5182.
La velocidad del sonido de FSPribs se basa en la siguiente relación. c = [check]E/[rho]
Los resultados de la simulación de explosión de 6940 m/s midieron el desplazamiento vertical máximo de la placa central y lo compararon con los diferentes modos de nervadura FSP de la simulación de explosión.
La figura 9 muestra un desplazamiento vertical máximo de 287 mm para el AL5182.
La figura 10 muestra la distribución de presión de la placa en el centro y a 8 pulgadas del centro.
Las ondas de presión se estiran principalmente y se reflejan hacia el interior, especialmente lejos del centro.
Durante los primeros dos milisegundos, la presión de tracción es dominante y se dispersa rápidamente después de 2 milisegundos.
Esto puede atribuirse a la descomposición del material explosivo después de la explosión.
En general, el producto de la detonación explosiva muestra una presión máxima de aproximadamente 0,5 ms (Figura 11).
La distribución de presión en el centro de la placa para la simulación de voladura se muestra en la Figura 10.
Como se puede ver en el diagrama de desplazamiento, la resistencia al rendimiento (YS)
El impacto es mayor cuando se reduce el desplazamiento máximo.
Aumente el YS de AL 5182 en un 50% y reduzca el desplazamiento vertical máximo de la placa de 287 mm a 235 mm.
La forma de nervadura FSP en dirección X solo reduce el desplazamiento máximo de la placa en 8 mm a 279 mm, y la forma de nervadura FSP en dirección x e y reduce el desplazamiento vertical de la placa de 287 mm a 268 mm.
El uso generalizado de FSP da como resultado un aumento del 50% en la fuerza.
Esto significa que se utiliza más FSP para modificar la placa, es decir,
Cuanto más anchas y densas sean las nervaduras, mejor será el rendimiento debido al aumento del límite elástico.
Con 5182 mm, el desplazamiento vertical de la placa RHA equivalente es mucho mayor que el del AL 318.
Aunque el RHA tiene mayor resistencia, el espesor de la placa es mucho menor en la misma masa que el AL 5182.
Esto dará como resultado una placa general más débil, mostrando así un mayor desplazamiento vertical.
Figura 12 La Figura 13 resalta la distribución de presión en las barras de refuerzo insertadas por la placa AL 5182 y el fsp, donde durante los primeros 3 milisegundos, la mayor parte de la carga de explosión es absorbida por la placa.
En comparación con el patrón de refuerzo AL 5182 y FSPinsert, la presión explosiva en la placa RHA muestra una mayor presión de compresión y tracción, como se muestra en la Figura 15.
Esto se debe al menor espesor de la placa RHA equivalente.
La energía interna de la placa se muestra en la Figura 15.
En la figura 15 se puede ver claramente que cuanto mayor sea la rigidez del material, menor será la absorción de energía interna.
En la Tabla 3 se resume el desplazamiento y la presión de diferentes combinaciones de nervaduras AL5182, FSP y placas RHA equivalentes.
La figura 16 captura una instantánea del tablero deformado en diferentes pasos de tiempo.
Los resultados de la explosión se resumen en la Tabla 4.
Con la adición de la nervadura FSP, el desplazamiento máximo y la absorción de energía disminuyen.
Esto se debe al mayor YS del nanomaterial FSP.
De hecho, cuando el FSP nano-
El material está mezclado en su totalidad [2]
La presión de tracción y compresión del metal base AL 5182 es baja, mientras que la nervadura FSP muestra una alta presión de tracción debido al endurecimiento local.
A continuación, sustituya el sustrato de AL5182 a AL7075 con un límite elástico más alto.
En este análisis, el sustrato se modificó a partir de una única placa 31.
El espesor de 8 mm se divide en dos grupos de materiales compuestos en capas: 15 capas en una capa.
87 mensajes MMS y 7 en el 4º piso.
0/90 en los modos 9375/0 y 0/90/90, como se muestra en la Figura 17.
La figura 18 muestra las propiedades de resistencia y daño de Johnson Cook.
La figura 19 dibuja el desplazamiento central de la placa.
Plotclear mostró una disminución en el desplazamiento máximo de 287 mm a 200 mm debido a un aumento significativo en YS de 548 Mpa en comparación con YS de 250 Mpa.
La simulación balística estudia el rendimiento de impacto balístico de AL5182, AL5182 con nervaduras FSP y placas RHA.
El propósito de este estudio es comprender las propiedades balísticas del patrón de nervadura FSP en una aleación de aluminio base, es decir,
, AL5182 y al7075.
La misma placa DRDC de Blastsimulation se cortó en pequeñas muestras de cupón, se colocó verticalmente y se probó el impacto con una bomba de prueba de placa de acero suaveDTL-
1225 como se muestra en la Figura 20.
Este dispositivo de simulación en particular se asoció con éxito con otra prueba experimental.
El artículo tiene 37 mm de diámetro y 100 mm de longitud.
La velocidad inicial del proyectil se establece en 414 m/s.
En todos los experimentos se utilizan los mismos proyectiles.
Todas las simulaciones y cálculos se realizan de acuerdo con la fórmula del elemento de Lagrange, en la que los nodos y materiales se toman como un todo.
La distribución de la onda de presión en la placa AL5182 se muestra en la Figura 21.
Debido a la penetración de la bala, la onda de presión central es cero y la onda de presión es más vulnerable a 37 mm de la onda de presión central.
En el punto de contacto, la onda de choque viaja a través de la placa y el proyectil.
Presión y velocidad al combinar medios de contacto.
Una forma de estimar las condiciones de impacto es estimar la correspondencia de impedancia, que se deriva de la continuidad de la presión y la velocidad en el límite entre la bala y la placa objetivo.
Además del alcance de este proyecto, esto incluye un análisis más detallado del shock Hugoniot.
La figura 22 muestra una instantánea animada de diferentes pasos de tiempo.
M&S está bien posicionado para capturar la residencia de misiles balísticos, la formación y el bloqueo del cráter.
La Figura 23 y la Figura 24 muestran la distribución de presión debido al impacto de la bala y la velocidad de la bala.
Onda de presión balística (Figura 25)
Más evidente que en la explosión (
Figura 13 y Figura 14)
:La longitud de onda es 10 veces más corta y hay muchos reflejos.
También es interesante que en ambos casos de FSPribs, la onda se invierte casi inmediatamente.
Esta inversión no es nano-FSP
Distribución de materiales en (
Módulo por intensidad y densidad).
Esto significa que el límite entre el patrón y el material del sustrato tiene un cierto impacto.
Sin embargo, esto es difícil de entender, porque la reflexión de las ondas es una función de la densidad del material, con una diferencia de sólo el 10%.
Si bien este efecto no tiene un efecto directo sobre estos resultados, vale la pena señalar que se trata de un fenómeno interesante que debería estudiarse más a fondo.
Se realizaron simulaciones balísticas en AL7075 y FSP ribspatteron de AL7075, utilizando modos compuestos en capas 0/90 y 0/90/0/90 para evaluar el rendimiento.
La figura 26 muestra la energía cinética de lanzamiento y la figura 27 muestra la velocidad de lanzamiento.
La mayor resistencia al rendimiento del AL7075 en comparación con el AL5182 evitó por completo los proyectiles.
Tenga en cuenta también que, como se muestra en la Figura 27, los proyectiles AL 7075 se detienen y rebotan a una velocidad positiva.
En todas estas simulaciones balísticas, la dirección de velocidad inicial del proyectil es una dirección X negativa.
En la Figura 28 se captura una instantánea animada de la bomba deformada y la placa AL7075.
Debido a la alta resistencia del AL 7075, aparecen grietas en la parte posterior de la placa balística que impiden que el proyectil penetre, lo que provoca un rebote del proyectil.
El proyectil reduce su velocidad y transmite más energía cinética a la placa objetivo, expandiéndose en diámetro para formar hongos.
Como se muestra en la instantánea de la figura 28.
Los resultados balísticos se resumen en la Tabla 5.
Todos los proyectiles penetraron la placa.
Debido al aumento del límite elástico del inserto, el inserto FSP ralentiza el proyectil y absorbe más energía cinética.
La Tabla 6 muestra la energía cinética del disparo, la presión sobre el tablero balístico a 37 mm del centro y la velocidad.
De las simulaciones AL5182 y AL7075 se desprende claramente que el límite elástico desempeña un papel fundamental a la hora de evitar que los proyectiles penetren la placa.
Las costillas FSP tienen un ligero beneficio al reducir el nivel de elementos en el modo x &.
Se creó un modelo de simulación detallado para evaluar el rendimiento explosivo y balístico de AL 5182 y AL7075 mejorados con FSP. LS-DYNA [9]
Se analizaron las respuestas de simulación balística y de explosión de las barras de refuerzo de inserción AL5182, AL7075, RHA y FSP utilizando un solucionador explícito no lineal.
Las costillas FSP presentan una rigidez efectiva.
El principal beneficio es el aumento del límite elástico.
Por lo tanto, la aplicación de la nano-
Los materiales que utilizan el proceso FSP en todo el material base son mejores que el desgarro local u otras mejoras de rigidez.
Sin embargo, el desgarro parece provocar una inversión de fase de la onda balística.
Este aspecto aún no ha sido bien comprendido.
Un beneficio reciente de FSP nano
El material reportado en la literatura es un aumento en la dureza superficial [5].
Se deben estudiar estos cambios de fase para determinar si los escaneos de material FSPNano se utilizan en soluciones de blindaje que contrarresten las amenazas cinéticas.
Este análisis supone que los nanómetros FSP
En comparación con Johnson, el material es del mismo sexo.
Resistencia a la cocción y rendimiento en caso de daño.
Sin embargo, un aumento del módulo elástico y del límite elástico a menudo produce pérdida plástica, y la suposición de la dirección del mismo sexo puede no aplicarse en la realidad.
En los casos en que el material exhibe un comportamiento frágil, se requiere un modelo de material frágil para el análisis de simulación, como Johnson-
O modelo de daño frágil.
Además, una alta representación
Se deben realizar las propiedades de velocidad de deformación y las variables EOS de este material.
Inserte estos FSPrib en el material para no
Las ventajas de las piezas portantes son su baja densidad y peso ligero. REFERENCIAS [1. ]Mishra R. y Ma Z.
50 páginas de ciencia e ingeniería de materiales de "soldadura por fricción y procesamiento". 1-78, 2005. [2. ]Saumyadeep J., Mishra RS y Grant G.
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Conexión por fricción y agitación y procesamiento de materiales avanzados, incluidos MMC.
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"Procesamiento, microestructura y propiedades mecánicas de los compuestos relacionados con A1
Compuestos de superficie B4C producidos mediante procesamiento de fricción y agitación[6. ]Mahoney MW
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Actas de TMS, soldadura por fricción y procesamiento, 4-8 de noviembre de 2001, págs. 225-234. [9. ]
Información de contacto de la empresa de tecnología de software Livermore, Livermore CA, si tiene alguna pregunta, comuníquese con Venkatesh Babu, autor de Venkatesh. babu. civ@rnail. mil Dr.
Richard Gerth @ Richardj. gerth. civ@correo.
Definición/abreviatura FSP-
Proceso de mezcla por fricción
Soldadura por fricción y agitación RHA-
Armadura uniforme enrollada PNNL-
Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
YS de alto poder explosivo
Límite elástico LAV-
DRDC, vehículo blindado ligero-
EOS-Centro de I+D de Defensa Nacional, Canadá
La ecuación de estado del ejército estadounidense Richard Gerth, US military taldese: 10. 4271/2017-01-