Barra de presión Split-Hopkinson

La barra de presión de Hopkinson dividida ( SHPB , por sus siglas en inglés), que recibe su nombre de Bertram Hopkinson y a veces también se denomina barra de Kolsky , es un aparato para probar la respuesta dinámica de tensión - deformación de los materiales.

La barra de presión de Hopkinson fue propuesta por primera vez por Bertram Hopkinson en 1914 ^{[ 1 ]} como una forma de medir la propagación de pulsos de tensión en una barra de metal. Posteriormente, en 1949, Herbert Kolsky ^{[ 2 ]} perfeccionó la técnica de Hopkinson utilizando dos barras de Hopkinson en serie, ahora conocidas como barra de Hopkinson dividida, para medir la tensión y la deformación, incorporando avances en el osciloscopio de rayos catódicos junto con unidades de condensadores eléctricos para registrar la propagación de la onda de presión en las barras de presión, como lo había hecho Rhisiart Morgan Davies un año antes en 1948. ^{[ 3 ]}

Modificaciones posteriores han permitido realizar ensayos de tracción, compresión y torsión.

Aunque actualmente se utilizan diversas configuraciones y técnicas para la barra de presión de Hopkinson dividida, los principios subyacentes para la prueba y la medición son los mismos. La muestra se coloca entre los extremos de dos barras rectas, llamadas barra incidente y barra transmitida . ^{[ 4 ]} En el extremo de la barra incidente (a cierta distancia de la muestra, generalmente en el extremo más alejado), se crea una onda de tensión que se propaga a través de la barra hacia la muestra. Esta onda se denomina onda incidente y, al llegar a la muestra, se divide en dos ondas más pequeñas. Una de ellas, la onda transmitida , viaja a través de la muestra y hacia la barra transmitida, causando deformación plástica en la muestra. La otra onda, llamada onda reflejada , se refleja lejos de la muestra y viaja de regreso por la barra incidente. ^{[ 5 ]}

La mayoría de los sistemas modernos utilizan galgas extensométricas en las barras para medir las deformaciones causadas por las ondas. Suponiendo que la deformación en la muestra es uniforme, la tensión y la deformación se pueden calcular a partir de las amplitudes de las ondas incidentes, transmitidas y reflejadas. ^{[ 6 ]}

Para las pruebas de compresión, se colocan dos barras simétricas en serie, con la muestra entre ellas. La barra incidente es golpeada por una barra percutora durante la prueba. La barra percutora se dispara mediante un cañón de gas. La barra transmitida colisiona con una trampa de momento (generalmente un bloque de metal blando). Se instalan galgas extensométricas tanto en la barra incidente como en la transmitida. ^{[ 6 ]}

El ensayo de tensión en una barra de presión Split Hopkinson (SHPB) es más complejo debido a la variación de los métodos de carga y la fijación de la muestra a la barra incidente y de transmisión. ^{[ 7 ]} La primera barra de tensión fue diseñada y probada por Harding et al. en 1960; el diseño implicaba el uso de una barra de peso hueca que estaba conectada a una horquilla y una muestra roscada dentro de la barra de peso. Se creó una onda de tracción al impactar la barra de peso con un émbolo y hacer que la onda de compresión inicial se reflejara como una onda de tracción en el extremo libre ^{[ 8 ]} Otro avance en el diseño de SHPB fue realizado por Nichols, quien utilizó una configuración de compresión típica y muestras metálicas roscadas en ambos extremos incidente y de transmisión, mientras colocaba un collar compuesto sobre la muestra. La muestra tenía un ajuste ceñido en el lado incidente y de transmisión para evitar una onda de compresión inicial. La configuración de Nichols crearía una onda de compresión inicial mediante un impacto en el extremo incidente con un percutor, pero cuando la onda de compresión llegaba a la muestra, las roscas no se cargaban. Idealmente, la onda de compresión pasaría a través del collar compuesto y luego se reflejaría en el extremo libre en tensión. La onda de tracción entonces tiraría de la muestra. ^{[ 7 ]} El siguiente método de carga fue revolucionado por Ogawa en 1984. Se utilizó un percutor hueco para impactar una brida roscada en un extremo de una barra incidente. Este percutor fue impulsado mediante un cañón de gas o un disco giratorio. La muestra se unió nuevamente a la barra incidente y de transmisión mediante rosca. ^{[ 9 ]}

Al igual que en las pruebas de tracción, existen diversos métodos para la fijación y carga de las muestras al someter los materiales a torsión en un SHPB.

Una forma de aplicar carga, denominada método de par almacenado , consiste en sujetar la sección media de la barra incidente mientras se aplica un par al extremo libre. La onda incidente se crea al liberar repentinamente la abrazadera, lo que envía una onda de torsión hacia la muestra. ^{[ 5 ]}

Otra técnica de carga, conocida como carga explosiva, utiliza cargas explosivas en el extremo libre de la barra incidente para generar la onda incidente. Este método es particularmente sensible a errores, ya que cada carga debe aplicar un impulso igual a la barra incidente (para generar torsión pura sin flexión) y ambas deben detonar simultáneamente. Además, es improbable que la carga explosiva produzca ondas incidentes limpias, lo que puede provocar velocidades de deformación desiguales durante el ensayo. Sin embargo, este método tiene la ventaja de presentar un tiempo de subida muy pequeño en comparación con el método de par almacenado. ^{[ 10 ]}

• Curso breve sobre la barra Hopkinson dividida y temas relacionados.
• Lista de hitos históricos de la ingeniería mecánica

• Simposio sobre la investigación experimental del comportamiento de los materiales a altas velocidades de deformación «  Barra de Kolsky: cincuenta años después  »
• Folleto informativo sobre recursos para pruebas y construcción de barras Hopkinson divididas para instalaciones de investigación.