Evaluación experimental y numérica de barra de compresión de Hopkinson (Kolsky)

Abstract

Cold Spray es un proceso de manufactura aditivo en el que se realizan impactos a altas velocidades con polvo metálico hacia una matriz donde finalmente el polvo genera enlaces del tipo mecánicos con la matriz mejorando así las propiedades mecánicas; este método tiene usos en industrias de gran relevancia, entre ellas se encuentra la aeronáutica y aeroespacial. Para aportar a este proceso de manufactura con gran potencial es que se establece validar la configuración experimental denominada "Barra de compresión Hopkison", SHPB (por sus siglas en inglés) de ahora en adelante, de manera experimental y numérica, ubicada en el taller Mecánico de la Universidad de Chile. Tema abordado en memorias previas del departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile donde se construyó y se modificó el montaje experimental. Sin embargo, la adquisición de datos no ha sido posible. Para lograr lo anterior es que se modifica el circuito y sus las incertidumbres eléctricas de manera de obtener resultados válidos para los ensayos. Para validar la máquina se realizan simulaciones numéricas del experimento en el software Abaqus CAE para aluminio 2017 y cobre C1100 utilizando el modelo de deformación a altas velocidades Johnson-Cook. De las simulaciones se extraen curvas de deformación en el tiempo las que permiten predecir el comportamiento de la SHPB y así guíar el trabajo experimental. Se procede a la experimentación con los materiales utilizados en la simulación, extrayendo datos en forma de voltaje en el tiempo con muestras de aluminio 2017 y cobre C1100 que son cilindradas y refrentadas a partir de barras de mayor largo y diámetro a 10[mm] de diámetro y 10 [mm] de alto. Las curvas en el tiempo simuladas y experimentales pasan por un software de post procesamiento SURE-pulse el que permite obtener curvas de esfuerzo deformación. Las curvas se les hace un ajuste Johnson-Cook con el software Excel, usando la herramienta solver para un problema de optimización no lineal para extraer los parámetros Johnson-Cook. La desviación de estos parámetros respecto a los valores de la literatura indica la precisión de la instrumentación y de las simulaciones. Finalmente se repite la metodología experimental para obtener parámetros Johnson-Cook para la aleación de titanio Ti6Al4V. Los resultados experimentales muestran una clara tendencia hacia las simulaciones, en particular los parámetros Johnson-Cook tienen un bajo error porcentual en comparación a la literatura, validando el montaje experimental para estudios futuros.