Yüksek hızlı darbelere karşı çok tabakalı, karbon elyaf takviyeli kompozit bir zırhın modellenmesi, sayısal ve deneysel olarak analizi
Modeling, numerical and experimental analysis of a multi-layered, carbon fiber reinforced composite armor against high-velocity impact
Yazar: YELDA ÖZDİL KAÇAN
Danışman: PROF. DR. ÖMER FARUK ELALDI
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Balistik darbe = Ballistic impact ; Katı modelleme = Solid modelling ; Lifli kompozitler = Fiber composites ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites ; Üç boyutlu modelleme = Three dimensional modelling

Özet:
İhtiyaçların karşılanmasına bağlı olarak geleneksel mühendislik malzemelerinden daha hafif ve daha iyi mekanik özelliklere (mukavemet, yorulma dayanımı, korozyon direnci vs.) sahip olan kompozit malzemelere ilgi günden güne artmaktadır. Kompozit malzemelerin kullanımı yaygınlaştıkça, dış etkenlere karşı nasıl bir davranış geliştirecekleri merak edilmektedir. Özellikle, çevresel koşullar ile düşük ya da yüksek hızlı darbe yüklerine karşı verdikleri tepkiler son yılların önemli araştırma konuları arasındadır. Bu tez çalışmasında savunma sanayiinde kullanılan geleneksel kompozit yapılardan farklı olarak yüksek hızlı çarpma durumlarında özellikle tamamı darbe yönüne paralel konumlandırılmış karbon fiberlerin penetrasyon direncine yaptığı etki araştırılmış ve yüksek hızlı darbe yüküne maruz kalan çok tabakalı hibrit (zırh çeliği ile sandviç edilmiş karbon elyaf takviyeli kompozit) bir kompozit zırhın penetrasyon direnci sayısal ve deneysel olarak analiz edilerek incelenmiştir. Tezin deneysel çalışmalarında Barut Enerjisi (Powder Gun) ile Çalışan Silah Sistemi kullanılmış ve ANSYS LS-DYNA programı ile oluşturulan sayısal model deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır. Doğruluğu teyit edilmiş sayısal model kullanılarak farklı zırh çeliği kalınlıkları ile çok tabakalı hibrit kompozit zırhın yüksek hızlı çarpma simülasyonları yapılmıştır. Bu simülasyonlar ile aynı koruma seviyesini verecek eş değer RHA zırh çeliğinden daha hafif olacak biçimde minimum ağırlığı sağlayan alansal yoğunluk bulunmuş ve böylece çok tabakalı kompozit yapının STANAG 4569' a göre 4. Seviyeden daha iyi bir oranda koruma sağladığı görülerek hipotez doğrulanmıştır.

Abstract:
Interest in composite materials which are lighter and have better mechanical properties (strength, fatigue resistance, corrosion resistance, etc.) than traditional engineering materials is increasing depending on meeting the needs day by day. As the use of composite materials becomes widespread, it is wondered that how they will develop a behavior against external factors. In particular, their responses against low or high-velocity impact loads with environmental conditions have been among significant research topics of recent years. In this study, unlike the traditional composite structures used in the defense industry, the effect of total carbon fibers parallel oriented to impact direction on penetration resistance has been investigated and penetration resistance of a multi-layer hybrid (carbon fiber reinforced composite sandwiched by two armor steel plates) composite armor exposed to high-velocity impact has been analyzed numerically and experimentally. Powder gun system was used in experimental part of the study and the numerical model created in ANSYS LS-DYNA program was verified by using the experimental data obtained. Verified numerical model was used to make high-velocity impact simulations of multi-layer hybrid composite armor for different armor steel thicknesses. By these simulations, minimum areal density compared to RHA steel equivalent protection was finally achieved and thus, the hypothesis saying that carbon fibers parallel oriented to impact direction can give high penetration resistance was proved by showing that multi-layer composite armor structure has provided a better protection level than STANAG 4569 Level-4.