Ökzetik çekirdeğe sahip sandviç plakların parçacık etkili patlama yükü altında dinamik davranışı
Dynamic behavior of sandwich plates with auxetic core under particle induced-blast load
Yazar: SERCAN BOSTAN
Danışman: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Askeri amaçla kullanılan bir çok araç ve ekipman görevleri süresince patlama ve balistik etkilere maruz kalabilmektedirler.  Bir patlama sonucu ortaya çıkan yüksek basınç ve sıcaklık etkisiyle yapıda ciddi deformasyonlar, yırtılmalar ve çok yüksek ivmeler oluşabilir. Ayrıca katı bir cismin yüksek hızda bir mermi gibi isabeti sonucunda yapı hasar alırken, yapının bu etkiye dayanamayıp yırtılması sonucunda içerideki personel yaralanabilir hatta hayatını kaybedebilir. Askeri araç ve ekipmanlarda dış yüzey bir zırh işlevi görmektedir. Bu zırhın dayanımını artırmak gerekirken aynı zamanda hafif tasarımlar ortaya koymak amacıyla sandviç yapılar ortaya çıkmıştır. Malzemelerin temel özelliklerinden biri olan Poisson oranı, malzemenin bir kuvvet etkisi altında vereceği cevabı temsil etmektedir. Daha iyi bir şekilde ifade etmek gerekirse, kuvvet etkisine maruz kalan bir malzemenin yanal yöndeki gerinim miktarının eksenel yöndeki gerinim miktarına oranı olarak tarif edilebilir. Poisson oranı birimsizdir ve -1 ile 0.5 arasında değerler alır. Geleneksel malzemelerin poisson oranları 0 ile 0.5 arasında değişmektedir. Ökzetik malzemeler ise negatif poisson oranına sahip malzemelerdir. Ökzetik malzemeler sıradışı deformasyon mekanizmaları sayesinde bir çok alanda geleneksel malzemelere göre tercih edilirler. Yüksek mukavemet ve düşük ağırlık prensibi düşünülerek genellikle bal peteği yapılı sandviç yapılar kullanılmaktadır. Daha sonra ökzetik malzemelerin keşfiyle bu malzemelerin deformasyon mekanizmasından ilham alınarak ökzetik sandviç yapılı tasarımlar ortaya çıkmaya başlamıştır. Bu yapılarda ökzetik özellik malzeme ile değil özel tasarlanmış geometri ile sağlanır. Ökzetik yapılar yüksek rijitlik, yüksek mukavemet ve hafiflik sağlamaları nedeniyle geleneksel malzemelere göre daha avantajlı konumdadırlar. Bunların yanında ökzetik malzemeler geleneksel malzemelere göre daha iyi darbe direnci ve daha yüksek enerji sönümleme kabiliyetine sahiptirler. Zor imal edilebilirliği ve yüksek üretim maliyetleri ise dezavantajları olarak görülebilir. Savunma sanayiinde bir yapı üzerindeki patlama ve balistik etkileri incelemek oldukça önemlidir. Testlerin riski ve yüksek maliyeti sebebiyle yapıları sonlu elemanlar analizi ile sanal teste tabi tutmak önem kazanmaktadır. Bu sayede test sayısı azalacak ve maliyetler düşecektir. Bu analizler için Ls-Dyna programı sıklıkla tercih edilmektedir. Patlama olayları, kimyasal enerji depolayarak ani ve kimyasal bir reaksiyon gerçekleşmesi sonucunda ortamda çok yüksek basınç, sıcaklık ve gaz oluşturan çok güçlü reaksiyonlardır. Bu karmaşık olaylar nedeniyle sayısal benzetim modellerinin vereceği sonuçların doğruluğu tahmin edilememektedir. Patlama analizlerini gerçekleştirmek için çeşitli yöntemler mevcuttur. Bu tez kapsamında ConWep yöntemiyle patlama analizleri gerçekleştirilecektir. ConWep patlama yöntemi ve parçacık etkisinin doğruluğunu değerlendirmek amacıyla literatürde yer alan test düzenekleri Ls-Dyna programında oluşturulmuştur. Daha sonra test sonuçları ile sonlu elemanlar modelinden elde ettiğimiz sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yüksek hızlarda çarpışma, balistik girişim, patlama olayları gibi yüksek hızlı deformasyon mekanizması içeren olaylar lineer olmayan ve bilinen teoriler dışında malzeme davranışı sergilerler. Bu nedenle hesaplamalarda klasik malzeme modelleri yetersiz kalmaktadır. Bu kapsamda gerçekleştireceğimiz analizlerde Johnson-Cook malzeme modeli kullanılacaktır. Bu yüksek lisans tezi kapsamında 40 cm x 40 cm x 2 cm boyutlarında bal peteği ve ökzetik çekirdek yapılı sandviç plaklar tasarlanmıştır. İki yapıyı doğru parametrelerle kıyaslayabilmek için kütleleri olabildiğince birbirine yakın olarak belirlenmiştir. Çalışmamızda plak üst yüzey orta noktasından z yönünde 50 cm mesafede belirli kütlede patlayıcı patlatılırken, belirli bir uzaklıktan 1 cm yarıçapında küresel bir cisim hedefe doğru ilk hız verilerek yönlendirilmiştir. Burada hedeflenen, patlama sonucu oluşan basınç dalgasının yapıya daha önce ulaşarak belirli bir deformasyon ve gerilme oluşturması ve daha sonra küresel cismin bu yapıya çarpmasıdır. Bu iki senaryo aynı analiz modeli içerisinde gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre patlama basıncı nedeniyle yapıda gerilme ve deformasyon oluşurken yüksek hızlı küresel cismin çarpma etkisiyle yapı delinmiştir. Her iki yapı için delinme enerjisi ve balistk limit hesaplanarak karşılaştırma yapılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda hemen hemen aynı boyutlara ve kütleye sahip olan yapılardan enerji absorbe kabiliyeti daha iyi olan yapı tespit edilmiştir. Son olarak enerji absorbe yeteneği yüksek olan yapının farklı tasarımları yapılarak tekrar kendi içlerinde bir değerlendirmeye tabi tutulmuştur. Bu analizler sonucunda enerji sönümleme kabiliyeti en yüksek olan tasarım belirlenmiştir.

Abstract:
Many vehicles and equipment used for military purposes can be exposed to explosion and ballistic effects during their duties. Serious deformations, ruptures and very high accelerations may occur in the structure due to the high pressure and temperature effect resulting from an explosion. While the vehicle or equipment may lose its function due to these effects, serious risks may occur for the military personnel inside the vehicle. In addition, while the structure is damaged as a result of hitting a solid object like a bullet at high speed, the personnel inside may be injured or even lose their lives as a result of the structure being unable to withstand this effect and tearing. For this reason, the design of the outer surfaces of military vehicles and equipment is very important. In military vehicles and equipment, the outer surface functions as an armor. In order to increase the strength of this armor, we need to increase the thickness, but this will increase the cost by causing the weight to increase and cause a loss of performance by creating a bulky structure. For this reason, sandwich core structure designs have emerged by working on alternative solutions. Poisson's ratio, one of the basic properties of materials, represents the response of the material under the influence of a force. More precisely, it can be defined as the ratio of the amount of strain in the lateral direction to the amount of strain in the axial direction of a material subjected to force. Here, the axial direction represents the direction in which the force is applied, while the lateral direction represents the direction perpendicular to the force. Poisson's ratio is unitless and takes values between -1 and 0.5. Poisson ratios of traditional materials range from 0 to 0.5. Materials such as steel, aluminum, titanium, which are frequently used in studies, are called traditional materials. Auxetic materials are materials with a negative Poisson ratio. When conventional materials are subjected to a force in the axial direction, a contraction occurs in the lateral direction and an elongation occurs in their lengths. Auxetic materials, on the other hand, have an unusual deformation mechanism, unlike traditional materials. When auxetic materials are exposed to an axial tensile force, they expand in length while they expand in the lateral direction. On the other hand, while the length of an auxetic material compressed in the axial direction is shortened, they show shrinkage behavior in the lateral direction. Honeycomb sandwich structures are generally used considering the principle of high strength and low weight. Later, with the discovery of auxetic materials, inspired by the deformation mechanism of these materials, designs with auxetic sandwich structures began to emerge. Auxetic sandwich structures are not actually made of auxetic materials. As a result of making special designs with traditional materials such as steel and aluminum, it is ensured that it behaves as a geometrically auxetic material. As a result of the studies carried out on this subject, many different types of auxetic structure geometry have been created. Auxetic structures are more advantageous than traditional materials because they provide high rigidity, high strength and lightness. In addition, auxetic materials have better impact resistance and higher energy absorption ability than conventional materials. Due to these features, they are preferred in many sectors, especially in the aviation sector. Auxetic materials are complex structures and difficult to manufacture. In addition, production costs are high. These features can be seen as the disadvantages of these structures. It is very important to examine the explosion and ballistic effects on a structure in the defense industry. In order to evaluate these effects, tests will give the most accurate results, but the tests are risky and also bring high costs. Therefore, by bringing the design to a certain maturity, it will be both safer and less costly to perform a small number of tests with the most optimal model at the final stage. At this stage, it is important to use the finite element method to bring the design to a certain maturity. Ls-Dyna commercial analysis program is used extensively to study the effects of high speed deformation. Explosion events are very strong reactions that create very high pressure, temperature and gas in the environment as a result of a sudden and chemical reaction by storing chemical energy. Due to these complex events, the accuracy of the results of numerical simulation models cannot be predicted. Kingery and Bulmash investigated the effects of these explosions on the structure by performing explosions in different conditions in terms of explosion distances and explosive weights with TNT (trinitrotoluene) type explosives, which are spherical and hemispherical in free form in the air. By examining the behavior of the structures as a result of the explosion, they revealed the explosion parameters. These parameters obtained as a result of the experiments were converted into polynomial equations by curve fitting method. These equations are presented as a computer program called ConWep. Later, it was embedded as a code in the Ls-Dyna commercial analysis program. In this thesis, ConWep method will be used for the analysis of explosion events. In order to evaluate the accuracy of this method, we will compare the results obtained from the analysis of the finite element model we will create in Ls-Dyna with the test setup that has common inputs and results in the literature. We will also validate the particle effect analysis with a test in the literature. After determining the accuracy of the numerical simulation model we have built, we will design our own target sandwich structure and perform analyzes. Events involving high-speed deformation mechanisms such as collisions at high speeds, ballistic interference, and explosions exhibit non-linear material behavior outside of known theories. For this reason, classical material models are insufficient in calculations. The more detailed the material model in such high-speed deformation problems, the better the results will reflect the reality. For this reason, the material model we need should be modeled by examining in detail in terms of dynamic material properties and strain rates. In this context, the Johnson-Cook material model will be used in the analyzes we will carry out. Within the scope of this master thesis, sandwich plates of 40 cm x 40 cm x 2 cm with honeycomb and auxetic core were designed. The geometric shape of the core structure was designed to be five rows along the 2 cm plate thickness. In addition, in order to be able to compare the two structures with the right parameters, their masses were determined as close to each other as possible. In our study, while detonating a certain mass of explosive at a distance of 50 cm in the z direction from the midpoint of the upper surface of the plate, a spherical object with a radius of 1 cm from a certain distance was directed towards the target by giving the initial velocity. What is aimed here is that the pressure wave formed as a result of the explosion reaches the structure before and creates a certain deformation and stress, and then the spherical object hits this structure. These two scenarios were carried out within the same analysis model. According to the results of the analysis, while stress and deformation occurred in the structure due to the burst pressure, the structure was punctured by the impact of the high-speed spherical body. The perforation energy and ballistic limit of the structure were calculated depending on the time it took for the spherical body to completely break the structure and the speed of the spherical body after the structure was completely broken. Comparisons were made by making calculations for both structures. As a result of this comparison, the structure with better energy absorption ability was determined than the structures with the almost same dimensions and mass. Finally, different designs of the structure with high energy absorption ability were made and evaluated within themselves. As a result of these analyzes, the design with the highest energy absorption capability was determined.