Numerical Thermomechanical Analysis Of High Strain Rate Impact Of Micro Particle

Abstract

The design of materials with desired properties is a challenge for most industries. It has become even more critical with the innovations in additive manufacturing (AM) and 3D printing technologies allowing for higher resolution of the metal parts’ topology. The impact between particles and the material surface is a micro-scaled physical phenomenon found in various technological processes and while studying the mechanical properties of materials. High-velocity interaction between particles and non-flat surfaces is relevant to processes occurring in AM, such as cold spray CS. The dissertation aimed to study strain-rate-dependent plasticity at a wide range of strain rates. Particular cases of the axisymmetric particle-substrate contact were simulated using an elastic material model and different plasticity models (PM). The problem is approached by numerical simulation applying finite element analysis (FEA) using strain, strain-rate, and temperature-dependent plasticity models. The investigated problem was high-rate elastic-plastic deformation of the micro-sized copper particle impacting against a copper substrate. The thermomechanical FEA was performed using selected PM. The perfor-mance of the strain-rate-dependent Johnson–Cook (J–C), Cowper–Symonds (C–S) and strain-rate-independent Ludwig models was studied by comparing displacements, velocities, strains, strain rates, stresses, contact forces, temperatures, and their contribution to material yield stress. The study has shown the importance of the high-strain-rate PM and its adequacy to experimental data. Both rate-dependent models complement each other and may be regarded as soft and hard bounds of the solution. The new two-function combined model containing two independent functions for each of the two regimes was suggested. The proposed model describes a low strain-rate sensitivity regime using the modified J–C expres-sion while allowing to fit the model for experimental results in a high strain-rate sensitivity regime using the modified C–S expression. This combination can describe both low- and high-strain-rate regimes giving the minimum deviation from experimental results. The performance of the new plasticity model was investigated in elastoplastic particle impact and dynamic indentation simulations. The new model shows an equal contribution of strain and strain rate hardening during impact. Additionally, the dissertation addresses normal contact interaction between particles and spherical surfaces. Here, the focus is on showing the contribution of colliding particle radii to interaction parameters. The results include contact duration, contact surface area, displacement, heat energy, stress, and strain rate.

Medžiagų, turinčių norimas savybes, projektavimas yra sudėtingas uždavinys daugelyje pramonės šakų. Pastaruoju metu tobulėjant adityviosios gamybos (AG) ir 3D spausdinimo technologijoms, leidžiančioms didesnę metalinių spausdintų dalių topologijos raišką, šis uždavinys tampa vis svarbesnis. Smūgis tarp dalelių ir medžiagos paviršiaus yra mikromastelio fizikinis reiškinys, aptinkamas technologiniuose procesuose bei tiriant medžiagų me-chanines savybes. Didelio greičio sąveika tarp dalelių ir kreivų paviršių yra dažna AG technologijų procesuose, tokiuose kaip šaltasis purškimas. Darbo tikslas – ištirti nuo deformacijų spartos priklausomą plastiškumą, esant įvairiems deformacijų greičiams. Keli dalelės ir substrato kontakto atvejai buvo modeliuojami naudojant tiek tamprios medžiagos apibrėžimą, tiek skirtingus plastiškumo modelius. Uždavinys sprendžiamas skaitiniais metodais, taikant baigtinių elementų (BE) modelį, įvertinant deformacijos, deformacijų spartos ir temperatūros poveikį medžiagos plastiškumui. Ištirta mikroskopinio dydžio vario dalelės, atsitrenkiančios į vario pagrindą, didelės tampriosios plastinės deformacijos problema. BE termomechaninė analizė atlikta taikant pagrindinius plastiškumo modelius. Nuo de-formacijų spartos priklausomų gerai žinomų Johnson–Cook (J–C) ir Cowper–Symonds (C–S) modelių veikimas buvo tiriamas lyginant poslinkius, greičius, deformacijas, deformacijų spartą, įtempius, kontaktines jėgas, temperatūras ir jų įtaką medžiagos takumo ribai. Tyrimas parodė didelės deformacijų spartos modelio tikslumo svarbą aprašant eksperimentinius duomenis. Abu tirti plastiškumo modeliai papildo vienas kitą ir gali būti lai-komi minkšta ir kieta smūgio sprendinio ribomis. Buvo pasiūlytas naujas dviejų funkcijų jungtinis modelis, turintis nepriklausomas funkcijas kiekvienam iš dviejų deformacijų spartos režimų. Siūlomas modelis aprašo mažos deformacijų spartos ruožą, naudojant J–C išraišką, kartu jis gali būti pritaikytas eksperimentiniams rezultatams didelės deformacijų spartos jautrumo režimu, naudojant modifikuotą C–S išraišką. Šis derinys apibūdina tiek mažos, tiek didelės deformacijų spartos režimus, mažiausiai nukrypdamas nuo eksperimentinių rezultatų. Naujo modelio efektyvumas simuliuojant tampriai plastinės dalelės smūgį bei dinaminę indentaciją buvo tiriamas jį lyginant su klasikiniais modeliais. Papildomai darbe nagrinėjamas smūgis tarp sferinių dalelių ir sferinių paviršių normalia kryptimi. Pagrindinis dėmesys yra skirtas atvaizduoti dalelių spindulių poveikį smūgio rezultatams. Rezultatai apima kontakto trukmę, kontaktinio paviršiaus plotą, poslinkius, šilumos energiją, įtempius ir deformacijų spartą.