Ön yüzündeki her seramiği karbon-fiber kompozitle  sarılmış çelik zırhların balistik davranışlarının incelenmesi
Investigation of the ballistic behavior of steel armors with each ceramic wrapped carbon-fiber composite on the front
Yazar: ALEMDAR ONGUN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ KALAYCIOĞLU
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alümina seramik = Alumina ceramic

Özet:
Altıgen seramiklerden oluşan ön yüze sahip çelik zırhlarda ilk mermi darbesine maruz kalan altıgen seramiğin çarpışma anında hasara uğrayıp kırılması ile çevresinde bulunan diğer altıgen seramiklerde hasara yol açtığı, literatürde ki incelemelerden ve konuyla ilgili firma uygulamalarından tespit edilmiştir. Bu çalışmada, sözü edilen hasarın en aza indirilmesi için seramik ön yüze sahip çelik zırhlar kompozit malzeme ile desteklenerek zırh teknolojisinde yeni bir tasarım geliştirilmiştir. Tasarımda zırhın seramik ön yüzeyi için 10 mm kalınlığındaki çevresi Karbon/Epoksi (Vf=% 60) kompozit malzeme ile sarılmış Alümina (Al2O3) altıgen seramikler ve arka yüzeyi için Hardox zırh çeliğinden üretilmiş 6 mm kalınlığında plaka tercih edilmiştir. Kompozit desteğin zırhın balistik davranışına etkisi tez çalışmasında hem sayısal analiz yöntemi hem de balistik atış deneyleri yardımıyla incelenmiştir. Zırh sistemine ait sayısal analizler Ansys Explicit/Dynamic sonlu eleman programında gerçekleştirilmiştir. Analizlerde çelik malzeme modeli için yüksek hızlarda plastik deformasyona izin veren Johnson-Cook ve seramik malzeme modeli olarak da Johnson-Holmquist modelleri kullanılmıştır. Yapılan sayısal analizlerde ilgili standartlara uygun şekilde, ön yüzündeki her seramiği 0,75 mm / 1 mm / 1,5 mm kalınlıklarında kompozit sargılı ve kompozit sargısız, arka yüzü çelik plakalı modeller oluşturulmuş ve 7,62 mm kalibreli mermi darbesinin zırh sisteminde oluşturduğu hasar incelenmiştir. Sayısal analizler sonucunda çıkan tasarım parametreleri ışığında zırh sistemine ait deney numuneleri üretilmiş ve balistik atış deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, tez çalışmasında 7,62 mm kalibreli mermi darbesi sonrasında seramiklerdeki kompozit sargının, zırh siteminin arka yüzeyindeki çelik plakada oluşan plastik deformasyona etkisi de incelenmiştir. Bu aşamada zırhın arka plakası için hardox çeliği ne göre daha sünek bir çelik olan S235 çeliği kullanılmıştır. Balistik atışlar sonrası çelik plakada oluşan plastik deformasyon Hill'in membran teorisinden elde edilen şekil değiştirme denklemleri kullanılarak Matlab programında geliştirilen bir ara yüz ile elde edilmiş ve hem sayısal hem de deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda seramiklere sarılan kompozit sargının çevre seramiklerde oluşan hasarı önemli derecede azalttığı ve arka plakada oluşan plastik deformasyona olumlu veya olumsuz herhangi bir etkisinin olmadığı gözlemlenmiştir. Bununla birlikte çelik plakada oluşan plastik deformasyona ait sehim eğrilerinin yapılan analizlerle ve deneysel çalışmalarla uyumluluk gösterdiği belirlenmiştir.

Abstract:
In the case of steel armor with hexagonal ceramic front face, the hexagonal ceramic which is subjected to the first bullet impact is damaged and broken during the collision.  As a result of the investigations which were made in the literature and the company working on ballistics   the hexagonal ceramics are damaged by other hexagonal ceramics. In this study, a new design has been developed in armor technology by supporting steel armor with ceramic front face with composite material due to minimize said damage. Alumina (Al2O3) hexagonal ceramics wrapped with carbon / epoxy    (Vf=% 60) composite material around 10 mm thickness for the ceramic front surface of the armor and 6 mm thick plates made of Hardox Armor Steel were preferred for the back surface of the armor. The effect of composite support on the ballistic behavior of the armor was examined by both numerical analysis and experimental tests of 7.62 mm caliber bullet impacts on 0.75 mm / 1 mm / 1.5 mm thickness composite and nonwounded steel armors in accordance with the relevant standards. Numerical analysis was performed in Ansys Explicit / Dynamic which is finite element program and in the analysis, Johnson-Cook model which permits high speed plastic deformation was used for steel material model and also Johnson-Holmquist model was used as ceramic material model. Furthermore, the effect of composite winding on the plastic deformation of the steel plate on the back surface of the armor was examined in the thesis. At this stage, S235 steel, a softer steel, was used instead of hardox steel for the back plate of the armor. Plastic deformation of the steel plate after ballistic shots was obtained by an interface developed in Matlab program by using the deformation equations obtained from Hill's Membrane Theory and also both numerical and experimental results were compared. As a result of the studies, it was observed that the composite wrap wrapped in ceramics significantly reduces the damage to the surrounding ceramics and no positive or negative effect on the plastic deformation of the back plate.  With this observation, the deflection curves of the plastic deformation formed on the steel plate were found to be consistent in the analysis and experimental study.