Balistik çarpmaya maruz kalan seramik ve kompozit yapıların sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellenmesi ve tasarım eniyilemesi
Finite element modeling and design optimization of ceramic and composite structures under ballistic impact
Yazar: DENİZ ÇELİKBAŞ
Danışman: PROF. DR. ERDEM ACAR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alümina = Alumina ; Balistik = Ballistics ; Karbon fiber = Carbon fiber ; Kompozit yapılar = Composite structures ; Seramikler = Ceramics

Özet:
Zırhlar; hava, kara, deniz ve uzay araçlarını, yapıları ve insan vücudunu korumak amacıyla kullanılmaktadır. Zırhların temel amacı, tehdidin kinetik enerjisini soğurmak ve çarpışmanın etkisini geniş bir alana yayarak hasarın azaltılmasını sağlamaktır. Zırhların koruyuculuk seviyelerinin yüksek olmasının yanı sıra hafif olmaları da beklenmektedir. Seramik ve kompozit malzemeler yüksek sertliklerinin yanı sıra geleneksel zırh malzemelerine göre daha hafiftirler, bu sebeple yaygın olarak tercih edilirler. Bu tez kapsamında seramik vücut zırhları ve kompozit uçak zırhları numerik olarak LS-DYNA yazılımı kullanılarak incelenmiştir. Tez kapsamında geliştirilen sonlu elemanlar modellerinin literatür verileri ile doğrulandıktan sonra tasarım eniyilemesi yapılarak zırhların ağırlığının azaltılması hedeflenmiştir.
Seramik malzemeler vücut zırhlarında tehdidi aşındırmak, parçalara ayırmak ve ilerleyişini durdurmak amacıyla ön katman olarak kullanılırlar. Seramik vücut zırhı olarak sıklıkla alümina seramiği kullanılmaktadır. Alümina seramiğinin balistik performansını yükseltmek amacıyla yüzey şekillendirmesi yapılabilir. Yüzey şekillendirmesi sayesinde, tehdidin doğrultusu değiştirilerek, tehdidin delme gücü azaltılabilir. Bu tez kapsamında alümina seramik plaka üzerinde farklı çaplara sahip yarım küre yüzey şekillendirmenin etkisi numerik olarak incelenmiştir. Yüzey şekillendirmenin etkisi birim kütle başına kinetik enerji soğurulma kapasitesi karşılaştırılarak yapılmıştır. Alümina plaka Johnson Holmquist malzeme modeli kullanılarak modellenmiştir. Çarpışma anında alümina plakada oluşan çatlak ve molozun modellenebilmesi için interpolasyonlu parçacık hidrodinamiği (İng. smooth particle hydrodynamics (SPH)) yöntemi kullanılmıştır. Kurulan sonlu elemanlar modelinin doğrulanabilmesi için öncelikle düz alümina seramik plaka literatürden elde edilen deneysel veriler ile doğrulanmıştır. Ardından doğrulanmış alümina plakanın yüzeyi şekillendirilerek, yeni tasarımın balistik performansı numerik olarak incelenmiştir. Yarım küre, yüzey şekillendirmesi sayesinde özgül kinetik enerji soğurma kapasitesi %56 oranında artmaktadır.
Kompozit malzemeler ise özellikle havacılık alanında tercih edilmektedir. Havacılık alanında en yaygın kullanılan kompozit karbon fiber/epoksi kompozitidir. Epoksi reçinesi tek yönlü karbon fiberleri ile güçlendirilmekte, böylece hafif ancak mukavemeti yüksek katmanlar elde edilmekte ve katmanlar bir araya getirilerek kompozit plaka oluşturulmaktadır. Plaka oluşumu sırasında katmanların fiber açısı plakanın balistik dayanımını etkilemektedir. Bu sebeple her katman açısı için doğru katman kalınlığının bulunması önemlidir. Karbon fiber/epoksi kompoziti LS-DYNA programında, gelişmiş kompozit hasar (İng. enhanced composite damage) malzeme modeli kullanılarak, orta ölçekli bir modelleme yöntemi olan ince kabuk elemanlar ile modellenmiştir. Karbon fiber/epoksi kompozitinin doğrulanabilmesi için öncelikle düşük hızlı çarpışma analizleri yapılarak literatür verileri doğrulanmıştır. Ardından standartlara uygun çarpışma hızına dayanabilecek karbon fiber/epoksi zırh kalınlığı belirlenmiştir. Destek vektör makinesi ve genetik algoritma kullanılarak farklı açılara sahip katmanlar için uygun kalınlık belirlenmiş ve kütlede %6.3 oranında azalma elde edilmiştir.

Abstract:
Armors are used to protect aircrafts, vehicles, space crafts, structures, and the human body. The main purpose of the armors is to absorb the kinetic energy of the threat by spreading the impact power to wide areas to reduce the damage. The armors are expected to be lightweight while providing a high level of protection. In addition to their high hardness, ceramic and composite materials are lighter than traditional armor materials. Within the scope of this thesis, ceramic body armors and composite aircraft armors are investigated numerically. The finite element models are developed using LS-DYNA software. Then, the developed models are validated with the literature data. Finally, the validated models are used for design optimization to reduce the weight of the armors without sacrificing from safety.
In body armors, ceramic materials are used as a front layer to erode and tear up the threat. Alumina is the most widely used ceramic body armor material. To increase the ballistic protection of the alumina ceramic, there are many options, and one of these options is to create surface profiling on the armor plate. By surface profiling, the penetration power of the threat can be reduced by changing the fly direction. In this thesis, the effect of hemispherical surface profiling on alumina ceramic plates with different diameters is investigated numerically. The effect of surface profiling is investigated through the kinetic energy absorption capacity per unit mass. The alumina plate is modeled by the Johnson Holmquist material model and the Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) methods. With the SPH method, the cracks and debris formed by ballistic impact can be modeled without any erosion algorithm. To validate the established finite element model, the flat alumina ceramic plate is modeled and compared with the experimental data obtained from the literature. Then, the ballistic performance of the surface profiled ceramic plate is investigated numerically. With the hemisphere surface profiling, the specific kinetic energy absorption capacity is increased by 56%.
Composite materials are preferred especially in the field of aviation. The most widely used composite in the aviation industry is carbon fiber/epoxy composite. The epoxy resin is reinforced with unidirectional carbon fibers so that lightweight but high-strength layers are obtained, and the layers are brought together to form a composite plate. In the design of the composite armor, the thicknesses of plies affect the ballistic performance of the plate. It is therefore important to find the optimum layer thickness with a given ply angle. Carbon fiber/epoxy composite is modeled with the enhanced composite damage material model with a medium-scale modeling method, thin shell elements. To validate the carbon fiber/epoxy composite, low-speed impact analyses are performed and the literature data are verified. Then, the optimum carbon fiber/epoxy armor thickness value is found for the composite armor to withstand the ballistic impact of a threat, which is determined by the standards. By using the support vector machining and genetic algorithm, the optimum thickness values are determined for each ply with different ply angles, and a 6.3% reduction in weight is achived.