Sistema Gas Gun ad alte prestazioni per barra di Hopkinson: progettazione e test preliminari

Lo studio del comportamento meccanico dei materiali alle alte velocità di deformazione necessita di apparati in grado di generare impulsi controllati. Nel presente lavoro si è effettuata la progettazione, realizzazione e verifica sperimentale preliminare di un lanciatore pneumatico ad alte prestazioni integrato in un apparato Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) per la conduzione di prove di compressione dinamica. L’obiettivo è quello di accelerare una barra percussore (striker) in acciaio, titanio o alluminio di diametro 18mm e lunghezza 850mm, a velocità regolabili fino ad almeno 30 m/s, progettando il lanciatore per far raggiungere alla barra d’acciaio un massimo di 50 m/s con una pressione di esercizio massima di 50 bar. Il dimensionamento è basato su un modello energetico di espansione del gas, su analisi strutturali e simulazioni agli elementi finiti, inclusa la verifica della stabilità elastica della barra durante l’accelerazione. Viene introdotto per il lanciatore l’uso di una canna sovra-calibrata, unitamente ad un sabot riutilizzabile, e di una valvola dedicata ad apertura rapida, in modo da poter ottenere l’energia cinetica richiesta con pressioni contenute. L’integrazione all’apparato SHPB prevede supporti regolabili sia per il lanciatore che per le barre, per consentirne un corretto allineamento, oltre a un sistema di gestione del rinculo del lanciatore basato su un ammortizzatore, costituito da elementi in poliuretano termoplastico, che prevede un tratto di rinculo libero finalizzato a ritardare la trasmissione al telaio dei carichi di rinculo fino al termine della prova dinamica. Prove preliminari coadiuvate da riprese ad alta velocità permettevano di determinare la relazione fra pressione di alimentazione e velocità erogata dal lanciatore. Con 25 bar di pressione di alimentazione si misurava una velocità di 34,4 m/s, che eccedeva il requisito minimo di progetto stabilito in 30 m/s; nell’intervallo compreso fra 4 e 25 bar, i risultati sono in buon accordo con il modello teorico basato sull’approccio energetico al netto delle perdite; misure ripetute alle medesime pressioni fornivano inoltre indicazioni su una buona ripetibilità. Prove di compressione su provini a bassa impedenza consentivano di verificare il buon funzionamento dell’apparato e l’efficacia del sistema di gestione del rinculo. Il lavoro costituisce quindi una base per l’impiego del sistema realizzato nella caratterizzazione dinamica dei materiali, con opportuna strumentazione delle barre.