PATLAMA ETKİSİNİN LABORATUVAR ÖLÇEKLİ TESTLER VE SİMÜLASYONLARLA BELİRLENMESİ

Transkript

1 PATLAMA ETKİSİNİN LABORATUVAR ÖLÇEKLİ TESTLER VE SİMÜLASYONLARLA BELİRLENMESİ İsmet Kutlay Odacı (a), Cenk Kılıçaslan (b), Alper Taşdemirci (c) ve Mustafa Güden (d) (a) İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü Gülbahçe Kampüsü, (b) İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü Gülbahçe Kampüsü, (c) İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü Gülbahçe Kampüsü, (d) İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü Gülbahçe Kampüsü, ÖZ Bu çalışmada üretimi pahalı ve yapısı heterojen metal köpükler yerine yeni bir yapı olan çok katmanlı zikzak 3003 Al ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç yapılar patlama etkisini oluşturmak amacıyla atış test sisteminde projektör olarak kullanılmıştır. Sandviç yapıların oluşturduğu basınç dalgasının patlama sırasında oluşan basınç dalgasına olan benzerliği Split Hopkinson Basınç Barı test simulasyonları ile belirlenmiştir. Sandviç yapılar ile gerçekleştirilen atış testlerinde 2 mm kalınlığında E-cam elyaf/polyester 0 /90 kompozit plakalar test edilmiştir. Atış sisteminin tam geometrik modeli sonlu elemanlar kodu LS-DYNA ile oluşturulmuş ve sandviç yapı ve kompozit plakada oluşan hasarlar deneyler ile karşılaştırılarak model doğrulanmıştır. Sandviç yapı Johnson-Cook, kompozit plaka ise MAT162 malzeme modeli ile modellenmiştir. Deneyler sonucunda sandviç yapının kademeli olarak ezilerek plaka üzerinde patlama basıncını oluşturduğu, kompozit plakalarda ise sadece delaminasyon ve çökme şeklinde oluştuğu görülmüştür. Geliştirilen test sistemi ile oluşturulacak basınç dalgasının projektör olarak kullanılan ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç yapının geometrisine olan bağıntısı simülasyonlarla belirlenmiş ve patlama testlerini simüle edilebilecek bir yöntem geliştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Patlama, MAT162, kompozit, sandviç, LS-DYNA

2 THE DETERMINATION OF THE BLAST EFFECT VIA LABRATORY SCALE TESTS AND SIMULATIONS ABSTRACT In this study, novel multi-layered zigzag 3003 Al trapezoidal corrugated sandwich structures as alternative to relatively expansive and heterogeneous metal foams were used as projectile to generate the blast effect in the impact test system. The similarity of the pressure wave created by the sandwich structures to the pressure wave occurred at the blast tests was determined by the Split Hopkinson Pressure Bar tests. Two millimeter thick E-glass/polyester composite plates with 0 /90 ply orientation were projectile impact tested. The full geometric model of the impact test system was generated using the finite element code LS-DYNA and the fidelity of the developed model was confirmed by comparing the numerical experimental damages on the sandwich structure and composite plate. The sandwich structure and the composite plate were modeled using the Johnson-Cook and MAT 162 material model, respectively. Results have shown that the sequential collapse of the sandwich structure generated a blast pressure on the composite plate and the exposed pressure formed delamination and collapse regions on the tested composite plate. The relationship between the pressure developed using the projectile test system and the geometry of the trapezoidal corrugated core sandwich projector was determined via simulations and a method was developed to simulate the blast tests. Keywords: Blast, MAT162, Composite, Sandwich, LS-DYNA 1.Giriş Günümüzde patlama ile oluşan şok dalgalarına (blast) dayanıklı yapıların tasarlanması ve geliştirilmesinin en temel amacı çevredeki insanlarda ve yapılarda oluşacak hasarları mümkün olduğunca indirgemektir. Patlama esnasında kimyasal tepkimeler sonucunda basıncı kilo bar ve sıcaklığı ise C aralığında değişen gazlar oluşur. Oluşan gazların genleşmesiyle, sıkıştırılan hava hızla hareket ederek (patlama dalgası) patlama enerjisini yapılara iletirler. Genişleyen patlama dalgasının basıncı zamanla sıcaklığın azalması sonucunda atmosferik basıncın altına düşer. Genleşen gazlar atmosferik basınçla küçük bir basınç farkı oluşturduğu için ters yönde yani hedeften patlama kaynağına doğru hareket eder ve basınç dengesi oluşana kadar gazların hareketi bu şekilde devam eder. Bu hareketler esnasında koruyucu malzemede en fazla deformasyonu ilk basınç dalgası ulaştığında oluşur; daha sonra ulaşan basınç dalgaları ise oluşan hasarı çok az bir miktarda değiştirir. Patlama testleri esnasında gerçekleşen malzeme hasarlarını laboratuvar ortamında belirlemek tehlikeli ve zordur. Son yıllarda, gözenekli alüminyum köpük yapıların hedef malzeme üzerine

3 yüksek hızda fırlatılması ile patlama testlerinde oluşan basıncı oluşturmaya yönelik çalışmalar yapılmıştır. Silindirik alüminyum köpük malzemelerle Split Hopkinson Basınç Barında (SHBB) yapılan testlerde köpük yapıların oluşturduğu basınç-zaman eğrisinin hava ve sıvı basınç dalgalarını temsil ettiği gösterilmiştir [1-9]. Bu çalışmada ise basınç dalgasının oluşturulmasında yeni bir yapı olan çok katmanlı zik zak 3003 Al ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç yapılar kullanılmıştır. Yarı-statik basma testlerinin sonuçları ile LS-DYNA da yapılan sonlu elemanlar simülasyon çalışmaları karşılaştırılmış ve malzeme modellerinin doğruluğu gösterilmiştir. Daha sonra SHBB modelleriyle çok katmanlı zikzak 3003 Al ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç yapıların oluşturduğu basınç-zaman eğrisi incelenmiş ve 2 mm kalınlığında kompozit plakalar üzerine atışlar yapılarak basınç dalgasının etkisi deneysel ve numerik olarak incelenmiştir. 2. Malzemeler ve deneyler Atış deneylerinde sert lehim yöntemi ile birleştirilmiş çok katmanlı zikzak 3003 Al ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç yapılar projektör olarak kullanılmıştır. Geliştirilen sandviç yapı ile ilgili detaylı bilgi bir başka çalışmada verilmiştir [10]. Projektörler 600x600x50 mm lik sandviç plakadan (Şekil 1(a)) tel erozyon yöntemi ile çıkartılmıştır. Çıkartılan projektörler 40 mm çapında ve 50 mm yüksekliğindedir (Şekil 1(b)). Tek bir projektör 32 gram ağırlığındadır. Sandviç yapının yarı-statik basma testleri plakadan çıkarılan 50x50x50 mm lik kare numuneler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Basma deneyleri 10-3 ve 10-1 s -1 gerinim hızlarında üniversal basma test cihazında gerçekleştirilmiştir. (a) (b) Şekil 1. Çok katmanlı zikzak 3003 Al ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç yapı: (a) plaka ve (b) projektör Atış testlerinde hedef olarak 2 mm kalınlığa sahip 0 /90 E-cam elyaf/polyester kompozit plakalar kullanılmıştır. Kompozit plakalar VARTM metodu ile hazırlanmıştır. Atış testleri Dinamik Test ve Modelleme Laboratuvarı bünyesinde 5 bar kapasiteli balistik atış sisteminde gerçekleştirilmiştir. Atış sistemi gaz tankı, namlu, numune

4 tutucuları, lazer hızölçerler ve koruma kafesinden oluşmaktadır (Şekil 2(a)). Kompozit plakalar Şekil 2(b) de gösterilen tutucu plakalar arasına konularak sabitlenmektedir. Koruyucu kafes içerisinde bir çifti namlu ucunda diğer çifti ise tutucu arkasında olmak üzere lazer hız okuyucular bulunmaktadır (Şekil 2(c)). Projektörün ilk ve son hızları bu okuyucular ile belirlenmektedir. Atış testlerinde kompozit plakanın ve sandviç yapının deformasyonu yüksek hızlı kamera (FASTCAM) ile fps kayıt hızında kaydedilmiştir. (a) (b) (c) Şekil 2. (a)atış sistemi, (b)numune tutucu ve (c)lazer hız okuyucular Alüminyum SHBB test düzeneği Şekil 3 de gösterilmektedir. SHBB test sistemi; gaz tabancası, çarpan çubuk, alan ve ileten çubuklar ve veri toplama ünitesinden oluşmaktadır (Şekil 3). Gaz tabancasından, farklı hızlarda (v o ) fırlatılan çarpan çubuğun alan çubuğun ucuna çarpması ile tek yönlü bir basma gerilme/gerinim dalgası oluşmaktadır. Alan çubuk üzerinde ilerleyen tek yönlü basma gerilme dalgasının bir kısmı test edilen malzemenin mekanik empedansına bağlı olarak alan çubuk-numune ara yüzeyinden çekme gerilmesi olarak geri dönmekte ve kalan basma gerilmesi ise ileten çubuk üzerinde ilerlemektedir (Şekil 3). Gelen dönen ve iletilen gerinim miktarlarının ölçümü ile malzeme üzerindeki gerilme gerinim ve gerinim hızı değerleri hesaplanabilmektedir [11]. Hesaplamalar, uzun çubuklarda elastik gerilme dalgasının tek yönlü ilerleyişi varsayımı ile yapılmaktadır. Bu çalışmada SHBB sisteminin nümerik modeli oluşturularak çarpma işlemi yapılmıştır. Şekil 3. (a) Basma Hopkinson Basınç Bar test düzeneği ve şematik gösterimi

5 3. Nümerik simülasyonlar Nümerik simülasyonlar, LS-DYNA v.971 programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analizlerde explicit numerik çözüm yöntemi kullanılmıştır. Çalışmada yarı-statik basma, SHBB ve atış deneyleri modellenmiştir. Şekil 3(a) ve (b) de 10-1 s -1 gerinim hızındaki yarı-statik basma işleminin nümerik modeli gösterilmektedir. Nümerik model üst ve alt basma plakaları ile dalgalı sandviç yapıdan oluşmaktadır. Modelin sonlu elemanlar ağı adet katı rijit elemandan ve deforme olabilen katı ve kabuk elemanlardan oluşmaktadır. Dalgalı göbek yapıların sonlu elemanlar ağında dört kenarlı kabuk elemanlar, yüz plakalarında ise dört kenarlı katı elemanlar kullanılmıştır. Basma plakları MAT_RIGID malzeme modeli, 3003 Al malzemenin gerilme davranışı ise MAT_SIMPLIFIED_JOHNSON_COOK malzeme modeli ile modellenmiştir. İşlem sırasında sadece üst basma plakası z-ekseni boyunca 5 mm/saniye sabit hızında hareket etmekte, alt basma plakası ise hiç hareket etmeyecek şekilde tanımlanmıştır. Şekil 4. (a) Yarı-statik basma simülasyon modeli ve (b) sandviç yapının nümerik modeli SHBB test sisteminin nümerik modeli Şekil 5 de gösterilmektedir. Modelde yalnızca ileten çubuk ve sandviç yapı modellenmiştir. Sandviç yapı gaz tabancasından belirli bir ilk hız (v o ) ile ileten çubuğa doğru fırlamaktadır. Numunenin çubuğu çarpması ile meydana gelen elastik gerilme dalgası çubuğun tam orta yüzeyinde bulunan elemandan okunmuştur. İleten çubuğun sonlu elemanlar ağı adet dört kenarlı elemandan oluşmaktadır. İleten çubuk MAT_ELASTIC malzeme modeli modellenmiştir. Çubuğun elastik modülü 70 GPa, poisson oranı ise 0.33 olarak alınmıştır. Çarpma sırasında çubuk tüm eksenlerden sabitlenerek hareket etmesi engellenmiştir. Sandviç numunenin ilk hızı 380 m/s dir.

6 Şekil 5. SHBB test sisteminin nümerik modeli Şekil 6 da atış test sisteminin nümerik modeli gösterilmektedir. Model üst ve alt tutucu plakalar, kompozit plaka ve sandviç projektörden oluşmaktadır. Deneyler sırasında üst tutucu cıvatalar ile sıkılarak kompozit plaka sabitlenmektedir. Bu durum SET_LOAD kartı ile tutucu üzerine 500 N luk bir basma kuvveti verilerek modellenmiştir. Deneylerde hız okuyucular tarafından okunan ilk çarpma hızı simulasyonlarda projektöre tanımlanmıştır. Kompozit plaka MAT162 COMPOSITE malzeme modeli ile modellenmiştir. MAT 162 malzeme modeli Matzenmiller hasar mekaniği ve Hashin ilerleyen bozulma prensiplerini kullanarak hasar başlangıcından sonra malzemenin yumuşama davranışlarını kullanılır [12, 13]. MAT 162 modeli matris malzeme bozulması, fiber kırılması, fiber ezilmesi ve delaminasyon hasarlarını bütün yükleme koşularında simüle edebilme özelliğine sahiptir. Bu malzeme modelinde 4 adet AM parametresi kullanılarak malzeme modelinde oluşan hasar modellenebilmektedir. AM1 ve AM2 parametreleri 1 ve 2 yönündeki hasarları, AM3 parametresi fiber ezilmesi ve fiber kayması hasarlarını ve AM4 parametresi matris ve delaminasyon hasarlarını belirlemektedir. MAT 162 malzeme modelindeki 42 adet parametre deneysel çalışmalar sonucunda elde edilmiş ve modelde deneme ve yanılma yöntemleriyle geliştirilmiştir. MAT 162 malzeme model parametre belirleme metotları bir başka çalışmada verilmiştir [14]. Şekil 6. Atış sisteminin nümerik modeli 4. Sonuçlar ve tartışma

7 Şekil 7(a) de dalgalı sandviç yapının 10-3 s -1 gerinim hızındaki gerilme-gerinim eğrileri gösterilmektedir. Yapının basma dayanımı yaklaşık 0,84 MPa civarındadır. Şekil 7(b) de 10-1 s -1 gerinim hızında gerçekleştirilen basma işleminin simülasyon ve deney sonuçları gösterilmektedir. Simülasyon yapının ilk basma dayanımını yaklaşık 0.15 MPa fazla tahmin etmesine karşılık, sonuçlar yeterli yaklaşımı göstermiştir. İlk basma dayanımının deney sonuçlarından fazla hesaplanmasının nedenleri olarak nümerik modelde kullanılan yapının geometrik olarak mükemmel olması ve simülasyonda çözüm süresini kısaltmak amacıyla kullanılan mass scaling yöntemi sıralanabilir. Şekil 7(c) de yükleme sırasında yapıda oluşan deformasyon deneysel ve nümerik olarak gösterilmektedir. İlk yükleme ile yapının bir katmanı ezilmektedir (Şekil 7(c)). Bu deformasyon yükleme sırasınca kademeli olarak diğer katmaların çökmesi ile devam etmekte, bu da gerilme eğrisinde uç noktaların oluşmasına neden olmaktadır. Gerinimin 0.65~0.70 olduğu noktada yapı tamamen sıkılaşmaktadır. Nümerik model dalgalı katmanlarda oluşan eğilmeyi tam olarak yakalamıştır. Nümerik simülasyon sonunda oluşan numune şekli deney ile birebir aynıdır. (a) (b) (c) Şekil 7. Dalgalı sandviç yapının: (a) 10-3 s -1 gerinim hızındaki gerilme-gerinim eğrileri, (b) 10-3 s -1 gerinim hızındaki simülasyon ve deney gerinim hızındaki gerilme-gerinim

8 eğrileri ve (c) simülasyon ve deneylerde oluşan deformasyon Şekil 8 de SHBB simülasyonundan elde edilen basınç-zaman grafiği gösterilmektedir. Sandviç yapı çubuk üzerinde maksimum ~90 MPa değerinde basınç oluşturmuştur. Sandviç yapıdaki katmanların ezilmesi ile basınç 45 mikrosaniyede minimum değer olan 10 MPa a düşmüştür. Sandviç yapının meydana getirdiği maksimum basınç değerinin, alüminyum köpüğün meydana getirdiği basınç değerinden [4] yaklaşık 40 MPa daha yüksek olduğu görülmüştür. Ayrıca geri kalan katmanların ezilmesi ile basınç dalgası ortalama 50 MPa civarında 45 ile 120 mikrosaniyeler arasında devam ettirilmiştir. Şekil 8. Dalgalı sandviç yapının SHBB simülasyonunda çubuk üzerinde oluşturduğu basınç dalgası Şekil 9(a), (b) ve (c) de hızlı kamera ile kaydedilen test ve simülasyon görüntüleri 150 mikro saniye zaman aralıklarıyla gösterilmiştir. Deney sonuçları incelendiğinde kompozit malzemelerde herhangi bir delinme tespit edilememiş, sadece katmanlar arasında ayrılma gözlenmiştir. İlk temas anında malzeme üzerinde lokal bir basınç dalgası yaratan projektör kademeli olarak ezilmeye devam ederek basınç dalgasının tüm kompozit yüzeyine dağılmasını sağlamıştır. Görüntülerden de anlaşılacağı gibi çarpma olayı 1. ve 2. görüntüler arasında gerçekleşmekte ve 2. görüntüde projektörün %50 oranında ezildiği ve kompozit plaka üzerinde belirgin bir sehim oluşturduğu belirlenmiştir. 3. görüntü anına kadar kompozit malzeme ile projektör arasında plastik şok dalgası hareket etmiş ve sonrasında projektörde yakalanarak kompozit plakayla beraber hareket etmiştir.

9 (a) (b) (c) Şekil 9. Hızlı kamera ile kaydedilen test ve simülasyon görüntüleri; (a)0, (b) 150 ve (c) 300 mikro saniye Deney sonrasında kompozit plakalar incelendiğinde orta kesimin 50,2 mm değerinde sehim yaptığı görülmüştür. Simülasyon çalışmasında ise ortadaki sehim miktarı 48,64 mm olarak ölçülmüştür. Simülasyon ve deneysel çalışmalar gözlemsel olarak karşılaştırıldığında, projektörün çarptığı ön yüzeyde yoğun delaminasyon oluştuğu ve projektörün bulunduğu kısmın alt ve üst bölgelerinde sağa ve sola doğru ilerlediği gözlemlenmiştir (Şekil 10(a)). Kompozit plakanın arka yüzeyinde projektörün çarptığı kısımda da delaminasyon oluşmuştur (Şekil 10(b)). Ön yüzeyde de olduğu gibi arka yüzeyde kompozit plakadaki fiberlerin 0 /90 oryantasyona sahip olması nedeniyle yatay ve dikey delaminasyonlar bulunmaktadır. Simülasyon hem arka hem de ön yüzde oluşan delaminasyonu ve delaminasyon şeklini yeterince yakaladığı görülmüştür.

10 (a) (b) Şekil 10. Kompozit plakada meydana gelen hasar;(a)ön ve (b) arka yüz 5. SONUÇLAR Bu çalışmada üretimi pahalı ve yapısı heterojen olan metal köpükler yerine yeni bir yapı olan çok katmanlı zikzak 3003 Al ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç yapılar patlama etkisini oluşturmak amacıyla atış test sisteminde projektör olarak kullanılmıştır. Yapılan çalışma sonunda zikzak ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç yapıların doğrudan basınç dalgası oluşturma testlerinde kullanılabileceği ve literatürde test edilen alüminyum köpüklerden daha yüksek miktarda basınç değerleri oluşturduğu görülmüştür. 6. KAYNAKÇA [1] M. F. Ashby, A. G. Evans, N. A. Fleck, L. J. Gibson, J. W. Hutchinson, and H. N. G. Wadley, "Chapter 11 - Energy management: Packaging and blast protection," in Metal Foams, ed Burlington: Butterworth-Heinemann, 2000, pp [2] A. Chen, H. Kim, R. J. Asaro, and J. Bezares, "Non-explosive simulated blast loading of balsa core sandwich composite beams," Composite Structures, vol. 93, pp , [3] G. J. McShane, D. D. Radford, V. S. Deshpande, and N. A. Fleck, "The response of clamped sandwich plates with lattice cores subjected to shock loading," European Journal of Mechanics - A/Solids, vol. 25, pp , [4] D. D. Radford, V. S. Deshpande, and N. A. Fleck, "The use of metal foam projectiles to simulate shock loading on a structure," International Journal of Impact Engineering, vol. 31, pp , 2005.

11 [5] D. D. Radford, N. A. Fleck, and V. S. Deshpande, "The response of clamped sandwich beams subjected to shock loading," International Journal of Impact Engineering, vol. 32, pp , [6] D. D. Radford, G. J. McShane, V. S. Deshpande, and N. A. Fleck, "The response of clamped sandwich plates with metallic foam cores to simulated blast loading," International Journal of Solids and Structures, vol. 43, pp , [7] H. J. Rathbun, D. D. Radford, Z. Xue, M. Y. He, J. Yang, V. Deshpande, N. A. Fleck, J. W. Hutchinson, F. W. Zok, and A. G. Evans, "Performance of metallic honeycomb-core sandwich beams under shock loading," International Journal of Solids and Structures, vol. 43, pp , [8] Z. Wang, L. Jing, J. Ning, and L. Zhao, "The structural response of clamped sandwich beams subjected to impact loading," Composite Structures, vol. 93, pp , [9] Q. Xie, L. Jing, Z. Wang, and L. Zhao, "Deformation and failure of clamped shallow sandwich arches with foam core subjected to projectile impact," Composites Part B: Engineering, vol. 44, pp , [10] C. Kılıçaslan, M. Güden, İ. K. Odacı, and A. Taşdemirci, "The impact responses and the finite element modeling of layered trapezoidal corrugated aluminum core and aluminum sheet interlayer sandwich structures," Materials & Design, vol. 46, pp , [11] M. Guden, U. Yildirim, and I. W. Hall, "Effect of strain rate on the compression behavior of a woven glass fiber/sc-15 composite," Polymer Testing, vol. 23, pp , [12] A. Matzenmiller, J. Lubliner, and R. L. Taylor, "A constitutive model for anisotropic damage in fiber-composites," Mechanics of Materials, vol. 20, pp , [13] Z. Hashin, "Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites," Journal of Applied Mechanics, vol. 47, pp , [14] A. Tasdemirci, A. Kara, A. K. Turan, G. Tunusoglu, M. Guden, and I. W. Hall, "Experimental and Numerical Investigation of High Strain Rate Mechanical Behavior of a [0/45/90/ - 45] Quadriaxial E-Glass/Polyester Composite," Procedia Engineering, vol. 10, pp , 2011.

12 EK BİLGİ Adı SOYADI: Araştırma görevlisi İsmet Kutlay Odacı Adresi: İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü, Gülbahçe Kampüsü, Urla/İZMİR E-posta adresi: Telefon numarası: : Faks numarası: Adı SOYADI: Araştırma görevlisi Cenk Kılıçaslan Adresi: İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü, Gülbahçe Kampüsü, Urla/İZMİR E-posta adresi: cenkkilicaslan@iyte.edu.tr Telefon numarası: Faks numarası: Adı SOYADI: Doç.Dr. Alper Taşdemirci Adresi: İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü, Gülbahçe Kampüsü, Urla/İZMİR E-posta adresi: alpertasdemirci@iyte.edu.tr Telefon numarası: Faks numarası: Adı SOYADI: Prof.Dr. Mustafa Güden Adresi: İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Rektörlük binası, Gülbahçe Kampüsü, Urla/İZMİR E-posta adresi: mustafaguden@iyte.edu.tr Telefon numarası: Faks numarası: