DIC Analysis of Impact Compression Test Using the Hopkinson Bar Method with HPV -X3

DIC analýza nárazové kompresní zkoušky metodou Hopkinsonova prutu s vysokorychlostní kamerou HPV‑X3

Význam tématu:
Porozumění dynamickým vlastnostem materiálů je klíčové při navrhování struktur vystavených nárazovým zatížením, zejména v automobilovém a leteckém průmyslu. Statické zkoušky často nedokáží zachytit rychlé děje, jako jsou průběh plastifikace, lokální koncentrace deformace nebo iniciační a šířící se porušení. Metody kombinující Hopkinsonův prut a digitální korelaci obrazu (DIC) umožňují kvantifikovat prostorové rozložení deformací v časové ose s vysokým rozlišením, což zlepšuje pochopení dynamického chování materiálů a podporuje validaci numerických modelů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem práce bylo demonstrovat použití vysokorychlostní kamery HyperVision HPV‑X3 pro záznam nárazové kompresní zkoušky provedené metodou Hopkinsonova prutu a následnou analýzu lokálních deformací pomocí DIC (software VIC‑2D). Jako zkušební těleso byl použit hliníkový vzorek s náhodným speckle vzorem aplikovaným přenosovou nálepkou. Studie ukazuje, že zvýšená snímkovací frekvence a prostorové rozlišení kamery zlepšují kvalitu DIC výstupů při dynamických zkouškách.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Hopkinsonův prut: klasický impulsní způsob zatěžování, kdy úderník vytvoří vlnu procházející vstupním a výstupním prutem přes zkušební vzorek; měří se průběh incidentní a transmitované vlny pro vyhodnocení dynamického napětí a deformace.
• Příprava vzorku: hliníkový vzorek opatřen náhodným speckle vzorem přenosovou nálepkou na straně snímané kamerou, umožňující korelaci obrazů pro lokální napětí a deformaci.
• Záznam: snímkování provedeno při 500 kfps pro získání časově rozlišených snímků průběhu zatížení a porušení.

Použitá instrumentace:

• Vysokorychlostní kamera: HyperVision HPV‑X3 (max. až 20 Mfps, v porovnání s předchozími modely nabízí trojnásobné prostorové rozlišení).
• Optika a příslušenství: close‑up ring, bellow (manžeta) a 105 mm makro objektiv pro zajištění dostatečného zvětšení a kvality obrazu.
• Osvětlení: LED osvětlení nasměrované z prostoru kamery pro kontrastní speckle vzor.
• Analýza obrazu: VIC‑2D (Correlated Solutions, Inc.) pro DIC výpočet půdorysných deformací a generování synchronních časových průběhů.

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky z DIC analýzy ukázaly následující klíčové body:

• Snímkování při 500 kfps umožnilo věrné zachycení časové evoluce deformace během impulsního zatížení. Software VIC‑2D generoval jak mapy prostorového rozložení deformace v ose zatížení, tak časové průběhy strain vs. time synchronizované s obrazovými snímky.
• Deformační signál vykazoval přibližně lineární nárůst po iniciaci zatížení až do dosažení maxima přibližně kolem 120 µs od začátku události. Následně bylo pozorováno snížení dynamické změny, přičemž v materiálu zůstala zbytková (plastická) deformace i po oddělení vstupního a výstupního prutu.
• Mapy rozložení deformace odhalily lokalizace maximálních strainů a průběh šíření vlna‑indukovaných deformací přes vzorek. Vyšší prostorové rozlišení kamery zlepšilo přesnost lokálních měření DIC a umožnilo detailnější vizualizaci koncentrací deformace.
• Synchronizace obrazů s časovými daty z Hopkinsonova přutu poskytla konzistentní informace o vztahu mezi průběhem vlny (incident/transmitted) a lokální reakcí materiálu.

Diskuse zdůrazňuje, že kombinace vyšší snímkové frekvence a lepšího prostorového rozlišení je zásadní pro odlišení rychlých přechodových jevů a pro přesné kvantitativní hodnocení lokálních plastických deformací v dynamických zkouškách.

Přínosy a praktické využití metody

Praktické přínosy a aplikace zahrnují:

• Vyšší spolehlivost a přesnost vyhodnocení dynamických mechanických vlastností materiálů (např. modul pružnosti při vysoké rychlosti deformace, mezní napětí, plasticita).
• Možnost detailního sledování iniciačních a propagačních mechanismů porušení, což je důležité pro návrh odolných konstrukcí v dopravě a průmyslu.
• Užitečnost v rozvoji a validaci numerických modelů (např. SPH, FEM) díky prostorově a časově rozlišeným datům.
• Využití v QA/QC procesech pro ověřování dynamických vlastností materiálových šarží a komponent.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a rozšíření aplikací:

• Posun k vyšším snímkovacím frekvencím a současnému zvyšování prostorového rozlišení, čímž se zlepší schopnost sledovat extrémně rychlé lokální jevy.
• Širší nasazení 3D‑DIC (stereoskopické systémy) pro plně prostorové mapování deformací a rotací povrchu během nárazů.
• Integrace s dalšími měřicími metodami (akcelerometry, tenzometry, fotonické senzory) a synchronizace dat pro komplexní vícefyzikální analýzu.
• Automatizace vyhodnocení a využití strojového učení pro detekci iniciací porušení a klasifikaci režimů porušení z velkých objemů DIC dat.
• Využití v in‑situ víceškálových testech a aplikacích vyžadujících kombinaci vysokorychlostního záznamu a chemicko‑mechanického monitoringu.

Závěr

Ukázka záznamu a DIC analýzy nárazové kompresní zkoušky metodou Hopkinsonova prutu dokládá, že vysokorychlostní kamera HPV‑X3 poskytuje kombinaci časového a prostorového rozlišení potřebného pro kvalitní vyhodnocení dynamických jevů. Snímkování při 500 kfps a trojnásobně lepší prostorové rozlišení vůči předchozím modelům umožnilo detailní zobrazení evoluce deformace, identifikaci maxima strainu a potvrzení zbytkové plastické deformace po oddělení prutů. Tato kombinace technologie zvyšuje spolehlivost dynamických materiálových zkoušek a podporuje jejich aplikaci v průmyslovém vývoji a výzkumu.

Reference

• Hopkinson B.: A Method of Measuring the Pressure Produced in the Detonation of High Explosives or by the Impact of Bullets, Philosophical Transactions of the Royal Society of London A, 213, 437–456, 1914.
• Shimadzu Application News: Observation of Fracture Behavior of Resin Material from an Impact Compression Test by the Hopkinson Bar Method, Application News No. V26.
• Shimadzu Application News: 3D‑DIC Analysis of a Metal Specimen Following an Impact Compression Test by the Hopkinson Bar Method, Application News No. V27.
• Shimadzu Application News: Fracture Observation and Observation of Strain Distribution of Plastic Material with Hole in Impact Compression Test, Application News No. V29.