Identification of plastic material parameters from spherical penetration tests

Abstract

The finite element method was employed for the simulation of spherical penetration experiments considering elastic and elasto-plastic material behavior as well as different sphere radii. The obtained results and the analytical solutions according to Hertz and Sneddon were represented in a dimensionless form (P und h).<br />The results of the numerical simulation considering elastic material response showed that the dimensionless parameter P exceeds the value of P given by the analytical solution. This effect is explained by neglecting radial displacement of points along the surface of contact in the analytical solution. The obtained numerical results were used to correct the analytical solution.<br />In the simulations considering elasto-plastic material behavior, the influence of different intender radii, Poisson's ratios, and yield strengths was investigated. The results showed that - due to the chosen dimensionless representation - P can be described as a function of the yield-strength/Young's-modulus ratio, being independent of the selected sphere radius. Based on the obtained correlations, experimental data from penetration tests may be used for determining yield strength and Young's modulus of the investigated material sample.<br />

Mit Hilfe der Methode der finiten Elemente Methoden wurden kugelförmige Penetrationsversuche unter Berücksichtigung elastischer und elasto-plastischer Materialeigenschaften sowie verschiedener Kugelradien simuliert. Sowohl die erhaltenen Ergebnisse als auch die analytischen Lösungen nach Hertz und Sneddon wurden in dimensionsloser Form dargestellt (P und h).<br />Bei der numerischen Simulation für elastisches Materialverhalten lag der dimensionslose Parameter P immer über dem entsprechenden Wert der analytischen Lösung, was auf die Vernachlässigung von radialen Deformationen der Punkte entlang der Kontaktfläche in der analytischen Lösung zurückzuführen war. Die gewonnen numerischen Ergebnisse erlaubten die anschließende Korrektur der analytischen Lösungen.<br />Bei der Simulation des elasto-plastischen Materialverhaltens wurden neben unterschiedlicher Kugelradien und Querdehnzahlen auch die Auswirkung der Fließgrenze untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass für ein konstantes Fließgrenze/Elastizitätsmodul-Verhältnis der dimensionslose Parameter P aufgrund der gewählten dimensionslosen Darstellung mit einer Funktion, die unabhängig vom Kugelradius ist, beschrieben werden kann.<br />Auf Basis der gewonnenen funktionellen Zusammenhänge kann an Hand experimenteller Ergebnisse von Penetrationsversuchen auf die Fliesgrenze bzw. den Elastizitätsmodul des untersuchten Materials geschlossen werden.<br />