Kompozit malzeme ile desteklenmiş obüs namlusunun çatlak davranışının incelenmesi
Investigation of the crack behavior of the howitzer barrel reinforced with composite material
Yazar: TALİP AĞDAŞAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ KALAYCIOĞLU
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada dış yüzeyinden talaş kaldırılarak hafifletilmiş ve kompozit malzeme ile desteklenmiş 105 mm kalibreli OBÜS namlusunun eksen boyunca değişken iç basınca göre tasarımı ANSYS® (19.2) sonlu eleman programında gerçekleştirilmiştir. Namlunun çelik kısmı AISI 4340 malzemeden üretilmiş ve karbon/epoksi (VCarbon = %60) kompozit malzeme ile desteklenmiştir. Tasarımda namlunun ekseni boyunca maksimum 400 MPa basınç değerine sahip değişken iç basınca dayanabilmesi sağlanmıştır. Değişken iç basınç altındaki namlunun dayanım analizinde von Mises distorsiyon enerjisi teorisinden yararlanılmıştır. Hafifletilmiş ve kompozit malzeme ile desteklenmiş namlunun dayanım analizi sonucunda namlu iç cidarında oluşan maksimum von Mises efektif gerilme değerinin 988 MPa olduğu gözlenmiştir. Namlu iç cidarında oluşan maksimum von Mises efektif gerilme değerinin namlu malzemesi olarak seçilen 4340 çeliğinin akma mukavemeti değerinden düşük olduğu ve namlunun uygulanan değişken iç basınca göre emniyetli olduğu belirlenmiştir.
Çalışmanın diğer ayağında hafifletilmiş ve kompozit malzeme ile desteklenmiş çelik namlunun çatlak davranışları yine Ansys® (19.2) sonlu eleman programında sayısal olarak incelenmiştir. Çatlak analizlerinde namlunun metal iç yüzeyinde yüksek basıncın oluştuğu baş bölgesi ile orta ve uç bölgelerine ayrı ayrı yerleştirilen farklı geometrilerdeki yarı eliptik yüzey çatlaklarının Mod I gerilme şiddeti faktörü değerleri sayısal analiz yardımıyla hesaplanmıştır. Namlunun çatlak davranışlarının belirlenmesi için yapılan analizlerde düğüm deplasmanları metodundan faydalanılmıştır. Yapılan analizlerde izin verilebilir maksimum iç basıncı arttırabilmek ve çatlak oluşumu ile çatlak ilerlemesini azaltmak için namlulara uygulanan otofretaj işlemi dikkate alınmamıştır. Hafifletilmiş namluya ait çatlak analizlerinde 0,3 ve 0,4 gibi düşük a/c oranlarına sahip çatlak geometrilerinde çatlak dip noktasındaki gerilme şiddeti faktörü değerlerinin çatlak uç noktasına göre daha büyük olduğu görülmüştür. Bu durumun tersi olarak 0,8 ve 1 gibi büyük a/c oranlarına sahip çatlak geometrilerinde çatlak uç noktasındaki gerilme şiddeti faktörü değerlerinin çatlak dip noktasına göre daha büyük olduğu görülmüştür.
Son olarak çalışmada hafifletilmiş ve kompozit malzeme ile desteklenmiş namlu için yapılmış olan eksen boyunca değişken iç basınç altındaki dayanım ve çatlak analizleri orijinal çelik namlu içinde gerçekleştirilmiş ve kompozit namludan elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Namluya uygulanan kompozit takviyesinin namlu iç yüzeyine yerleştirilen tüm çatlaklardaki gerilme şiddeti faktörü değerlerini düşürdüğü gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, the design of the 105 mm caliber howitzer barrel which is lightened by metal removing from its outer surface and reinforced by composite material according to the variable internal pressure along the axis, was carried out in the Ansys finite element analysis program. The steel part of the barrel is made of AISI 4340 material and reinforced by a Carbon/Epoxy (Vf = 60%) composite wrap. In the design, it is ensured that the barrel can withstand variable internal pressure up to a maximum pressure of 400 MPa along its axis. The von Mises distortion energy theory was used in the strength analysis of the gun barrel under variable internal pressure. It has been observed that the maximum von Mises effective stress value formed on the inner wall of the barrel was 988 MPa as a result of the strength analysis of the lightened and composite reinforced barrel. It has been determined that the maximum von Mises effective stress value formed on the inner wall of the barrel is less than the yield strength value of 4340 steel selected as the barrel material, and the barrel is safe according to the applied variable internal pressure.
In the other part of the study, the crack behavior of the lightened steel barrel was also numerically investigated in the ANSYS finite element analysis program. In crack analysis, Mod I stress intensity factor values of semi-elliptical surface cracks in different geometries placed separately in the initial part where the high pressure occurs on the metal inner surface of the barrel, middle and end parts; were calculated with the help of numerical analysis. The nodal displacement method was used in the numerical analyzes to determine the crack behavior of the barrel. In the analyzes carried out, the autofrettage process applied to the barrels was not considered in order to increase the high allowable internal pressure and to reduce crack formation and crack propagation. It has been observed that the stress intensity factor values at the crack deepest point were higher than the crack surface point in the crack geometries with low a/c ratios such as 0.3 and 0.4 in the crack analyzes of the lightened and composite material supported barrel. Conversely, in crack geometries with large a/c ratios such as 0.8 and 1, the stress intensity factor values at the crack deepest point have been found to be smaller than the ones at the crack surface point.
Finally, strength and crack analysis under variable internal pressure along the axis for the composite reinforced barrel were also carried out for the original steel barrel and compared with the results obtained from the composite reinforced barrel. It was observed that the composite reinforcement applied to the barrel decreased the stress intensity factor values in all cracks placed on the inner surface of the barrel.