Performance of perforated aluminium plates subjected to blast loading

Abstract

Hovedmålet med denne oppgave er å undersøke oppførselen til tynne deformerbare aluminiumsplater, med og uten perforerte hull, utsatt for eksplosjonslast. Arbeidet består av en omfattende eksperimentell undersøkelse av ytelsen til forskjellige perforerte konfigurasjoner, som enten ble forhåndsskåret eller generert av beskytning. Numeriske simuleringer ble utført for å undersøke i hvilken grad atferden kan forutses av beregningsverktøy. SIMLab Shock Tube Facility (SSTF) ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet ble brukt til å utføre alle eksperimenter. Platene var laget av 2 mm tykt AA6082 aluminium og varmebehandlet til graderingen T6 og hadde et lastutsatt område på 300 mm x 300 mm. De perforerte konfigurasjonene besto av sirkulære hull i varierende antall og romlige fordelinger. Totalt ble fire konfigurasjoner brukt med ett, tre eller syv forhåndsskjærte hull. SIMLab Gas Gun ble brukt til å generere perforerte hull gjennom beskytning med stumpe og ogivale prosjektiler. Hensikten med å inkludere hull i platene, forhåndsskåret eller fra beskytning, var å studere virkningen av hull angående platenes ytelse og sprekkpropagering. De eksperimentelle resultatene i SSFT ble dokumentert ved bruk av to høyhastighetskameraer, 3D digital bildekorrelasjon (3D-DIC), laserskanning av deformerte plater og høyfrekvente trykkmålinger

Totalt ble det utført femten strekktester for å undersøke materialegenskapene for aluminiumslegeringen. Fra disse testene ble en materialmodell og bruddkriterium kalibrert gjennom invers modellering. Denne materialmodellen ble brukt i numeriske simuleringer av platene utsatt for eksplosjonslast.

Totalt ble 21 tester utført i sjokkrøreksperimentene. Et forstudie ble utført for å oppnå to overtrykk, en nær platens kapasitets og en som resulterete i kollaps. Resultatene var veldig interessante da unike sprekkmønstre ble utviklet for hver av de fire konfigurasjonene.

De numeriske simuleringene av platene ble alle utført i Abaqus/Explicit. Ikke-kobla modeller ble lagd for alle konfigurasjoner, og eksplosjonslasten ble påført gjennom idealiserte trykk-tidskurver hentet fra tidligere arbeid. De numeriske simuleringene var i stand til å reprodusere mange av de eksperimentelle observasjonene. Den numeriske studien ga en dypere forståelse av hvordan platen reagerte når de ble utsatt for eksplosjonslast. Det viste seg at sprekker initierer i hull nærmest de fastklemte hjørnene og forplanter seg mot dem. Hvis et hull er plassert med lik avstand til flere hjørner, vil det oppstå en sprekk mot hvert av de tilsvarende hjørnene. I konfigurasjoner med flere hull viste studien at lokalisering av stress og plastiske tøyninger konsentrerte seg mellom hullene. Derfor ble det ofte observert sprekker mellom hullene i disse konfigurasjonene. Tilsynelatende virket det som om sprekkene som ble dannet mellom hullene i større grad sammenfalt med flytelinjer produsert i firkantede plater utsatt for eksplosjonslast.

This thesis investigates the behavior of thin deformable aluminum plates, with and without perforated holes, exposed to blast loading. The work consists of an extensive experimental investigation on the performance of different perforated configurations, that were either pre-cut or generated by ballistic impacts. Numerical simulations are carried out to investigate to what extent the behavior can be predicted by computational tools. The SIMLab Shock Tube Facility (SSTF) at the Norwegian University of Science and Technology was used to perform experiments in controlled, laboratory environments. The tested plates were made from 2 mm thick AA6082 aluminum tempered to peak strength T6 with a 300 mm x 300 mm blast-exposed area. The perforated configurations consisted of circular holes in varying numbers and spatial distributions. In total four configurations were used with one, three or seven pre-cut holes. The SIMLab Gas Gun was used to generate perforated holes from ballistic impacts with different projectile noses, blunt and ogival, respectively. The purpose of including holes in the plates, pre-cut or from ballistic impact, was to study the influence of holes regarding the plates performance and crack propagation. The experimental results in the SSFT were documented using two high-speed cameras, 3D digital image correlation (3D-DIC), laser scanning of deformed plates, and high-frequency pressure measurements.

A total number of fifteen uniaxial tension tests were conducted to investigate material properties for the aluminum alloy. From these tests, a constitutive relation and failure criterion were calibrated by inverse modelling. This material model was used in the numerical investigations of plates exposed to blast loading.

In total 21 tests were conducted in the shock tube experiments. A preliminary study was carried out to obtain two firing overpressures, one close to the capacity limit and one resulting in failure. The results were very interesting as unique crack patterns developed for each of the four configurations.

The numerical simulations of the plates were all carried out in Abaqus/Explicit. Pure Lagrangian models were established for all configurations, and the blast load was imposed through idealized pressure-time curves obtained from previous work. The numerical simulations were able to reproduce many of the experimental observations. The numerical study provided a deeper understanding of how the plate responded to the blast loading. It was found that cracks initiate in holes closest to the clamped corners, and propagate toward them. If a hole is positioned with equal distance to multiple corners, a crack will form towards each of the corresponding corners. In configurations with multiple holes, the study revealed that localization of stress and plastic strains concentrate between the holes. Consequently, cracks were more frequently observed between the holes. Also, the cracks seemed to form more frequently between the holes which to a greater extent aligned with yield lines produced in square plates exposed to blast loading.