The dynamic plastic deformation is an important process in many industries, such as automobile crashworthiness, satellite protection, ballistic impact, and armor crashworthiness. Accurate numerical simulations require a reliable constitutive description of the flow stresses at wide range of strain rates. Dynamic hardening models can interpolate flow stresses up to strain rate of 10^3 /s because of limited testing conditions. However, the reliability of material properties at higher strain rates (10^5 /s ~ 10^6 /s) cannot be guaranteed from these models. Effective plastic strain rate of 10^5 /s was observed from Taylor impact test numerical simulation at impact velocity of 200 m/s. Taylor impact test, thus, is one of the most famous test methods to evaluate the performance of dynamic hardening models at relatively high strain rates.
Several tensile and compressive experiments were conducted for 4340 steel, OFHC copper, and Ti6Al4V alloy at wide range of strain rates. Flow stresses at low strain rates, from 10^-3 /s to 10^-1 /s, and high strain rates, 10^2 /s, can be obtained from universal testing machine (Instron 5583) and Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) testing machine. High Speed Material Testing Machine (HSMTM) can be utilized to obtain flow stresses at intermediate strain rates, from 10^0 /s to 10^2 /s.
In this study, 3 different impact velocities were performed for Taylor impact tests to evaluate the Johnson-Cook model, modified Johnson-Cook model, modified Khan-Huang model, and Lim-Huh model for 4340 steel, OFHC copper, and Ti6Al4V alloy, respectively, at relatively high strain rates. The material coefficients of four different models can be obtained from the experimental flow stress results.
An effective alignment control jig system was designed and manufactured for Taylor impact tests. Photron FASTCAM SA4 high speed camera with Nikon AF Micro Nikon 60 mm lens was used for recording for Taylor impact tests. 192 x 64 pixel resolution and 180,000 fps frame rates were settled for all experiments. The corresponding Photron FASTCAM View software, PFV ver. 258, was also used for controlling the process of recording. The velocity was evaluated from high speed camera data. Lighterrace METALHALIDE BEAM SPOT MID-25FC light with a regular filter was used as a light source. 900,000 lx lightness can be provided at distance of 1 m from object.
Several numerical simulations were performed according to Taylor impact test conditions. The four dynamic hardening models were numerically applied into a commercial finite element code, ABAQUS/Explicit, using piece-wise linear method up to strain rate of 10^7 /s. The results of the experiments were compared with numerical simulation results by using its final shape and deforming processes. Percentage error method was carried out to comparing the experiment and simulation results. The ratio of final diameter to final length, D_f/L_f, was applied to evaluate the magnitude of deformation for different materials. Moreover, the axial stress, effective plastic strain, and effective plastic strain rate were investigated for Lim-Huh model.
금속재료에서는 변형률속도가 증가하면 변형률경화 거동이 증가하는 것과 같이 정적상태와 동적상태에서의 기계적 물성이 상이하다는 것이 알려져 있다. 자동차, 선박, 철도차량 등의 충돌 시에는 시편의 변형이 발생하는 변형률속도 영역이 최대 10^2 /s 정도에 불과하지만, 항공, 우주, 군사 방면에서 사용되는 재료는 10^3 /s 보다 높은 고 변형률속도 영역에서 변형하기 때문에 이러한 조건에서의 재료물성을 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 10^-3 /s ~ 10^3 /s의 변형률속도 영역에서의 재료물성은 다양한 시험장치를 이용하여 구할 수 있으나 그보다 높은10^-5 /s ~ 10^6 /s의 고 변형률속도 영역에서는 재료물성을 획득하기 위한 시험기법이 확립되어 있지 않다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여 본 연구에서는 동적 경화모델을 도입하여 낮은 변형률속도 영역10^-3 /s ~ 10^3 /s의 재료시험결과로부터 고 변형률속도 영역에서(10^5 /s 이상)의 재료물성을 예측하고자 하였다. 테일러 충격시험은 원통형 시편을 높은 속도로 (150 m/s 이상) 강체에 충돌시키는 시험으로서 충돌하는 과정에서 시편이 변형하는 변형률속도가 10^5 /s 보다 높은 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구의 목적은 이러한 고 변형률속도에서의 여러가지 동적 경화모델의 유효성을 테일러 충격시험을 통하여 평가하는 것이다. 본 연구에서는 서로 다른 결정구조를 가진 4340 steel, OFHC copper, Ti6Al4V alloy 등의 재료에 대하여10^-3 /s ~ 10^3 /s의 변형률속도 조건에서 Instron 및 HSMTM을 이용한 인장시험과 홉킨슨 바 시험기를 이용한 압축시험을 수행하여 다양한 변형률속도에서의 재료의 경화거동을 관찰하였다. 재료시험을 통하여 획득한 3가지 재료의 다양한 변형률속도에서의 경화거동 곡선을 Johnson-Cook 모델, 수정 Johnson-Cook 모델, 수정 Khan-Huang 모델, Lim-Huh 모델을 이용하여 근사하였다. 테일러 충격시험에서 시편과 타겟 목표물이 수직으로 충돌하게 하기 위하여 사보, 사보 분리장치 및 타겟장치를 설계하고 제작하였다. 다양한 변형률속도에서의 재료의 거동을 관찰하기 위하여 3가지 재료에 대하여 각각 다양한 충격속도로 테일러 충격시험을 수행하였다. 테일러 충격시험 중 시편의 변형형상을 고속카메라를 사용하여 기록하였고 기록한 영상을 분석하여 시편의 변형거동을 관찰하고 충돌속도를 측정하였다. 테일러 충격시험 결과와 4가지 동적 경화모델을 사용한 유한요소해석의 최종형상 결과를 정량적으로 비교하고 축방향 응력, 유효변형률, 및 유효변형률속도를 분석하였다.
