Plated aluminium structures exposed to extreme pressure loads

Abstract

Begrepet ekstreme trykkbelastninger beskriver trykklaster av høy størrelsesorden, kort varighet og ikke-lineær fordeling i tid og rom. Ekstreme trykkbelastninger er kritiske for designet av platestrukturer i en rekke av deres bruksområder, men per dags dato eksisterer ingen modelleringsmetode som er lettvinn, nøyaktig og allmenn tilgjengelig for industrien. På grunn av dette ble en ukoblet modelleringsmetode etablert. Trykklaster ble generert av Euler-modeller i EUROPLEXUS og brukt som lastbeskrivelse på den trykkutsatte overflaten til Lagrange-modeller i ABAQUS/Explicit. Det nye med metoden er at lasten blir beskrevet som et overflatenett. For å undersøke responsen til platestrukturer utsatt for ekstreme trykkbelastninger, og for å validere modelleringsmetoden, ble en ny testrigg til SIMLab Shock Tube Facility utviklet og en testmatrise ble konstruert. Den modulære testriggen gjorde det mulig å utsette forskjellige platestrukturer for ekstreme trykkbelastninger av varierende kompleksitet i kontrollerte omgivelser.

I tillegg til å teste deformerbare platestrukturer ble forsøk utført på en rigid plate med piezoelektriske sensorer for å validere Euler-modellene. To deformerbare platestrukturer ble testet, en enkel plate og et panel med tre avstivere og en langsgående sveis, begge laget av aluminiumslegeringen AA6082-T6. Store plastiske deformasjoner, asymmetriske responser og brudd ble observert i forsøkene på de deformerbare platestrukturene utsatt for ekstreme trykkbelastninger. De to platestrukturene hadde forskjellige responser til lastsituasjonene, men begge varierte med størrelsesordenen og kompleksiteten til lasten.

Lagrange-modellene klarte i stor grad å forutsi deformasjonsmodene til testeksemplarene. De asymmetriske responsene, tøyningslokaliseringene og bruddene ble alle gjengitt numerisk, men deformasjonenes størrelsesorden ble undervurdert. Lagrange-simuleringene av panelforsøkene med lavest trykk hadde god overenstemmelse med forsøkene, noe som indikerer at modelleringsmetoden er egnet til å forutsi strukturelle responser på ekstreme trykkbelastninger.

The term extreme pressure loads denote pressure loads with high magnitude, short duration and non-uniform spatial and temporal distribution. Extreme pressure loads are critical in the design of plated structures in many applications, but no accurate and convenient modelling approach for industrial application currently exist. To rectify this an uncoupled modelling approach was established. Loads were generated through Eulerian simulations in EUROPLEXUS and described to the pressure exposed surface of Lagrangian models in ABAQUS/Explicit. The novelty of the approach is the description of the load as a surface mesh. To investigate the responses of plated structures to extreme pressure loading - and validate the modelling approach - a new test rig for the SIMLab Shock Tube Facility was designed and a test matrix constructed. The flexible design successfully enabled the testing of various structures to extreme pressure loading of varying complexity, in a controlled laboratory environment.

In addition to testing deformable plated structures, tests were conducted on a rigid plate with piezoelectric sensors to validate the Eulerian simulations. Two deformable structures were tested, a simple plate and a panel with three stiffeners and a welded section, both made of the aluminium alloy AA6082-T6. In the deformable specimens subjected to extreme pressure loading large inelastic deformations, asymmetric responses and fractures were observed. The two structures responded differently to the loading conditions, but both responses were seen to vary with the load magnitude and complexity.

The Lagrangian simulations largely predicted the deformed shapes of the deformable test specimens. The asymmetric responses, strain localisation and fractures observed in the tests were all replicated, although the magnitude of the deflections were underestimated. The Lagrangian simulations of the panel tests conducted at the lowest firing pressure have good correspondence, indicating that the modelling approach successfully predicts structural responses to extreme pressure loads.