Fonksiyonel kademelendirilmiş plakaların farklı mermi çarpma açılarında balistik limitlerinin araştırılması
Investigation of ballistic limits on different projectile impact angles of functionally graded plates
Yazar: MEVLÜT HAKAN
Danışman: DOÇ. DR. RECEP GÜNEŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Balistik darbe konusu, yıllardır önemli bir araştırma konusu olmuştur ve balistik nüfuziyet sırasında meydana gelen olayları fiziksel olarak anlamak ve matematiksel olarak tarif etmek için büyük çaba sarf edilmiştir. Yapılan çalışmalar, balistik darbenin, hedef yüzeyi ile mermi hız vektörü arasındaki açıya bağlı olarak normal ve eğik darbe şeklinde sınıflandırılabileceğini göstermektedir. Balistik performans bakımından zırh yapılarının incelenmesinde, çalışmaların büyük çoğunluğu standart yapılandırma ve koşullandırmalara bağlı olarak normal darbe şeklinde yapılmaktadır. Ancak günlük hayatta karşılaşılan neredeyse tüm balistik darbe olayları standart yapıda yani 0° mermi çarpma açısında gerçekleşmeyip belirli açılarda eğik darbe şeklinde gerçekleşmektedir. Bu sebeple, zırh tasarımlarında, eğik darbe durumlarının incelenmesi büyük önem arz etmektedir.
Günden güne gelişen ve daha etkili hale gelen silah sistemleri karşısında, balistik koruma sağlayan zırh sistemleri sürekli olarak gelişime ihtiyaç duymaktadır. Zırh sistemlerinden beklenilen temel iki özellik, personel veya aracın hareket kabiliyetini kısıtlamayacak derecede hafif olması ve çeşitli mermi nüfuziyetlerine karşı yüksek balistik direnç göstermesidir. Gelişen ileri malzeme üretim metodları, bu iki temel özelliği bir araya getiren yeni malzemelerin kullanımına olanak sağlamaktadır. Bu malzemelerden en yenisi, seramiğin sertliği ve hafifliğini, metalin tokluğu ile bir araya getiren fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler, seramik-metal ara yüzeyindeki gerilmeleri azaltarak yapısal bütünlük sağladığından dolayı balistik uygulamalar için araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler, özel bir uygulamada malzemenin performansını optimize etmek için belirli bir pozisyonda malzeme kompozisyonun sürekli yapıda değiştiği, iki veya daha fazla bileşenden oluşan kompozitlerdir. Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler yeni ve gelişmekte olan bir teknoloji olmasına rağmen, zor çalışma şartlarına sahip darbeli ortamlarda ve balistik zırh sistemlerinde ki kullanımı günden güne artmaktadır.
Bu çalışmada, balistik uygulamalarda kullanımı giderek artan fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin normal ve eğik darbe altında balistik performansını belirlemeye yönelik sayısal ve deneysel çalışmalar yapılmıştır. Sayısal çalışmalar, ANSYS/LS-DYNA sonlu elemanlar programı ile Lagrangian yaklaşımı kullanılarak deneysel çalışmalar ise,  tek kademli gaz silahı kullanılarak, her bir plaka için sabit 610±20 m/s mermi hızında gerçekleştirilmiştir. Sayısal ve deneysel çalışmalar,  fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin üç farklı malzeme kompozisyonunda ve 0°, 15°, 30°, 45°, 60° olmak üzere beş farklı mermi çarpma açısında incelenmiştir. Sayısal çalışmalarda, fonksiyonel kademelendirilmiş plakalar deney şartlarına uygun olarak modellenerek, belirli mermi çarpma açılarında, malzeme kompozisyonun etkisi deformasyon ve hasar bakımından araştırılmış ve deneysel çalışmalara en uygun sayısal model geliştirilmeye çalışılmıştır. Bu sayısal model kullanılarak fonksiyonel kademelendirilmiş plakaların farklı mermi çarpma açılarında, zırh tasarımında önemli bir parametre olan balistik limit hızı tespiti yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda ise, fonksiyonel kademelendirilmiş plakalarda mermi çarpması sonucu oluşan hasar ve deformasyonlar incelenmiş, belirli mermi çarpma açılarında malzeme kompozisyonun etkisi araştırılmış ve üç farklı malzeme kompozisyonun her birisi için, mermi çarpma açısı değiştirilerek, balistik performans üzerine farklı açıların etkisi incelenmiştir.
Fonksiyonel kademelendirilmiş plakaların, normal ve eğik darbe direncini belirlemeye yönelik hem sayısal çalışmalar hem de deneysel çalışmalarda, mermi çarpma açısının ve malzeme kompozisyonunun plakaların balistik performansı üzerine oldukça fazla etkisi olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
The issue of ballistic impact has been an important research topic for many years and a great effort has been made to physically recognize and mathematically describe events that took place during ballistic penetration. Studies show that the ballistic impact can be classified as normal and oblique impact depending on the angle between the normal to the target surface and the projectile velocity vector. In examining armor structures in terms of ballistic performance, the majority of the studies is done in the form of normal impact, depending on standard configuration and conditions. However, almost all ballistic impacts encountered in daily life do not take place at 0 ° projectile angle of impact in the standard form, but instead take place at a certain angle in oblique impact. For this reason, examination of oblique impact situations has a great importance in armor designs.
Design of armor systems is continuously undergoing a change against weapon systems which are more effective and developed day by day. Ideally, the two main features expected from an armor system is low weight to provide the mobility of staff or vehicle and high ballistic resistance to penetration of various projectile. Developing advanced material manufacturing process enable the use of new materials that combine these two main features. The newest of these materials, with combining the stiffness and low density of the ceramic and toughness of the metal, functionally graded plates have attracted researchers' attention for ballistic applications because of providing structural integrity by decreasing inter-laminar stresses in ceramic-metal interfaces. Functionally graded materials are composites having two or more components where the material composition changes continuously to optimize the performance of the material for a specific application. Although functionally graded materials are a new and emerging technology, their use in percussive application with severe operating conditions and in ballistic armor systems is increasing from day to day.
In this study, numerical and experimental studies have been carried out to determine ballistic performance under normal and oblique impact of functionally graded materials, which are increasingly used in ballistic applications. Numerical studies were carried out using the ANSYS / LS-DYNA finite element program with the Lagrangian approach and the experimental studies was carried out at a constant 610 ± 20 m / s projectile velocity for each plate using a single-stage gas gun. Numerical and experimental studies have been investigated in three different material compositions of functionally graded materials and at five different projectile angles of impact, 0 °, 15 °, 30 °, 45 °, 60 °. In numerical studies, functionally graded plates were modeled in accordance with the experimental conditions and investigated effect of material composition at the certain impact angle of projectile in terms of deformation and damage states, the best numerical model was developed in the light of experimental results. By using this numerical model, the ballistic limit velocity, which is an important parameter in armor design, was determined at different projectile angles of functionally graded plates. In experimental studies, the damage and deformations resulting from projectile impact on the functionally graded plates were investigated and the effect of the material composition on the certain impact angle of projectile was investigated and the effect of different impact angles on the ballistic performance was investigated by varying the projectile impact angles for each of the three different material compositions.
Both numerical and experimental studies to determine the normal and oblique impact resistance of functionally graded plates showed that the material composition and projectile impact angle have a significant effect on the ballistic performance of the plates.