MONOLİTİK RHA ZIRH PLAKALARININ 7.62 mm ZIRH DELİCİ MERMİ KARŞISINDAKİ DAVRANIŞININ BİLGİSAYAR BENZETİMLERİ İLE BELİRLENMESİ

Transkript

1 MONOLİTİK RHA ZIRH PLAKALARININ 7.62 mm ZIRH DELİCİ MERMİ KARŞISINDAKİ DAVRANIŞININ BİLGİSAYAR BENZETİMLERİ İLE BELİRLENMESİ Tansel Deniz (a), Namık Kılıç (b), Orhan Yıldırım (c) (a) Y. Lisans Öğr. ODTÜ, Makina Müh. Böl., 06531, Ankara, (b) OTOKAR A.Ş., Ar-Ge Direktörlüğü, BDM Birimi, 54580, Sakarya, (c) Prof. Dr. ODTÜ, Makina Müh. Böl., 06531, Ankara, ÖZ Bu çalışmada, RHA zırh malzemesi için literatürden elde edilen malzeme modeli kullanılarak gerçek atış yapılmadan bu malzemenin 7.62 mm zırh delici mermi karşısındaki davranışı belirlenmeye çalışılmıştır. LS-Dyna yazılımı kullanılarak açık zaman integrasyonu yöntemi ile zırh-plaka çarpma olayının bilgisayar benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Bu benzetimler ışığında çeşitli hızlarda gelen mermiyi durdurabilecek balistik kalınlıklar belirlenmiş, farklı kalınlıklar için mermi artık hızının (V R ) çarpma hızına (V 0 ) bağlı olarak değişimi gösterilmiş ve sabit hız alınarak artık hızın plaka kalınlığına bağlı olarak değişimi saptanmıştır. Anahtar Kelimeler: Balistik, Darbe, LS-Dyna, Penetrasyon, Zırh DETERMINATION OF BALLISTIC PERFORMANCE OF MONOLITHIC RHA ARMOUR PLATES AGAINST 7.62 mm AP PROJECTILES BY COMPUTER SIMULATIONS ABSTRACT In this study, the aim is to determine the ballistic performance of RHA plates against 7.62 mm AP projectile without carrying out real tests. Material parameters are compiled from the literature and the simulations are done by the commercial hydrocode software LS-Dyna. By the help of these simulations, ballistic thicknesses of armour plates against various projectile velocities are found, the change of residual velocity of projectile (V R ) versus incident projectile velocity (V 0 ) for various thicknesses of armour plates are determined and the change of residual velocity versus armour thickness for a constant incident velocity is shown. Keywords: Armour, Ballistic, Impact, LS-Dyna, Penetration

2 1. GİRİŞ Asimetrik tehdidin yüksek olduğu savaş alanları göz önüne alındığında, zırhlı araçlar daha üst düzeyde koruma seviyelerine ihtiyaç duyabilir. Hafif zırhlı araçlar söz konusu olduğunda bu araçların koruma seviyesi çeşitli zırh delici mermilere karşı yetersiz kalmaktadır. Bu gibi durumlarda aracın koruma seviyesini arttırmak adına ilave zırh uygulaması geçerli bir yöntemdir [1]. Bu yöntem sayesinde araç üzerindeki zırh uygulamaları esnek, değişebilir ve hatta zamanla tekrar tanımlanabilir kılınır. İlave zırh uygulaması çelik, seramik veya çok katmanlı kompozit zırh uygulamalarından herhangi birisi olabilir. Bu bildirideki amaç, gerçekte uygulanan atış testlerinin mümkün olan en az mertebede yapılmasını sağlayabilecek bir öngörünün sayısal benzetimler yolu ile kazanılabileceğinin gösterilmesidir. Bu amaçla, üzerinde bir çok kez çalışılmış olan RHA (Rolled Homogeneous Armour) çeliği seçilmiş, literatürden alınan malzeme bilgileri ışığında bu çeliğin 7.62 mm AP mermisi karşısındaki balistik başarımı konusunda öngörülerde bulunulmuştur. Bu çalışma kapsamında çeşitli hızlar için zırh delici mermiyi durdurabilecek olan RHA çelik plaka kalınlıkları bulunmuştur. Ayrıca farklı kalınlıklardaki zırh plakaları için mermi artık (çıkış) hızının (V R ) mermi giriş hızına (V 0 ) göre değişimi gösterilmiştir. Buna ek olarak sabit bir mermi giriş hızı için mermi artık hızının çeşitli plaka kalınlıkları için değişimi saptanmıştır. Sayısal benzetimler ticari bir hidrokod yazılımı olan LS-Dyna yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Benzetimlerde kullanılan zırh delici mermi; çelik çekirdek, ceket malzemesi olarak fişek pirinci ve dolgu malzemesi olarak antimon-kurşun alaşımı malzemelerinden oluşmaktadır (Şekil 1). 2. SAYISAL MODELLEME Şekil mm zırh delici mermi konfigürasyonu 2.1. Sayısal Benzetimde Kullanılan Metodoloji LS-Dyna ile yapılan bilgisayar benzetimlerinde, bir çok benzetim yapılacak olması ve hızlı neticelere ihtiyaç duyulması nedeniyle Şekil 1'de gösterilen zırh delici merminin zırh plakasına çarpma olgusu 2 boyutlu ve eksenel simetrik olarak modellenmiştir. Sonlu elemanlar metodolojisi olarak 4 farklı alternatif bulunmaktadır: Lagrange Euler ALE SPH

3 Lagrange kodları bir kütle elemanının hareketini takip eder. Bundan dolayı örgü yapısı malzemeyle birlikte yer değiştirir. Daha basit kodlar oldukları için her bir çevirim başına daha az işlem yapılır. Bundan dolayı teorik olarak hesaplamaları daha hızlı ilerler [2]. Ayrıca malzeme arayüzleri, serbest yüzeyler ve daha önceki yüklemeye bağlı malzeme davranışı Lagrange örgü yapısı ile daha rahat takip edilir [3]. Bu yapının sahip olduğu en büyük dezavantaj ise malzemede çok fazla deformasyon olduğunda örgü yapısının çok fazla bozulması ve bundan dolayı hatalı ve verimsiz sonuçlar vermesi veya yazılımın hata vererek durmasıdır. Modelleme yapılması kolay olduğu ve benzetimler esnasında hızlı sonuçlar verdiği için bu metot tercih edilmiştir. Bu metodla ilgili sorunların yaşanmaması için ise ince sayılabilecek bir örgü yapısı kullanılarak modelleme yapılmıştır. Euler kodlarında ise Lagrange çözücüsünün tersine kontrol hacmi yöntemi kullanılır [5]. Örgü yapısı sabit kalırken malzeme akışından etkilenmez. Euler örgü yapısı ideal olarak çok yüksek deformasyonları ve akışkanları modellemek için kullanılmaktadır. Fakat serbest yüzeyleri, malzeme arayüzlerini ve daha önceki yüklemeye bağlı malzeme davranışını takip etmek daha zordur. Zukas [5] tarafından yapılan bir çalışmada ise Euler metodunun, mermi-zırh delinmesi benzetimlerinde Lagrange metodu kadar rahat kullanılamadığı belirtilmiştir. ALE çözücüsü ise Lagrange kodunun sahip olduğu dezavantajları indirgemek adına yine aynı kodda fazladan bir işlem basamağı eklenmesiyle oluşturulmuştur [3]. Buna göre, tipik bir Lagrange çeviriminden sonra örgü yapısı bozulmaya başladığı için örgü yapısı yeniden belirlenir (rezoning). Bu metot LS-Dyna kapsamında 2 boyutlu olarak kullanılamadığı [4] için bu çalışmada göz önüne alınmamıştır. Örgü yapısı gerektirmeyen ve bundan dolayı Lagrange çözücüsüne has avantajlara sahip olup aynı dezavantajları taşımayan SPH metodu [6] ise daha önceki tecrübelerimize dayanarak, öncelikli olarak alümina seramik gibi sert ve kırılgan malzemelerin modellenmesinde kullanıldığı için kullanılan metodolojide yer verilmemiştir. Modellemede kullanılan eleman formülasyonuna yönelik ise eksenel simetrik yapılar için kullanılabilecek olan iki çeşit formülasyon yer almaktadır. Bunlardan LS-Dyna kullanıcı el kitabında [4] 14 numaralı formülasyonun daha ziyade patlama analizlerinde, 15 numaralı formülasyonun ise diğer yapısal çözümlemelerde kullanıldığı belirtilmiştir. Bu çalışmada 15 numaralı hacim ağırlıklı eksenel simetrik eleman formülasyonu kullanılmıştır. Bu elemanlar, benzetim sırasında eksenel simetri sınır koşullarını ihlal edebileceği için daha sonra tekrar sınır koşulu tanımlanmıştır. Bunlara ek olarak benzetimlerin gidişatını değiştirebilen bir etmeni de göz ardı etmemek gerekir. Bu etmen Hourglass enerjisi olarak adlandırılan ve gerçekte böyle bir enerji olmamasına rağmen sayısal benzetimlerde görülen farazi bir enerji çeşididir [4]. LS Dyna ile yapılan analizlerde kabuk elemanı kullanılıyor ise, bu enerjinin ortaya çıkmaması için alınabilecek bir önlem de 16 numaralı tam integrasyonlu kabuk elemanını kullanmaktır. Fakat bu çalışma dahilinde yapılan analizler eksenel simetrik olarak yapıldığı için bu enerjinin ortaya çıkmasını engelleyebilecek diğer bir yöntem olan "*CONTROL_HOURGLASS" seçeneğidir. Bu kontrol kartı kullanılarak sayısal benzetimlerdeki hourglass enerjisi sorunu çözülmüştür.

4 2.2. Malzeme Modelleri Benzetimlerde kullanılan malzeme modeli parametreleri literatürden derlenmiştir. Daha önce sözü edildiği gibi zırh delici mermi üç farklı malzemenin kombinasyonundan oluşmaktadır. Çekirdek malzemesi için menşei belli olmamakla beraber Buchar ve arkadaşları [7] tarafından sunulan Johnson-Cook dayanım ve kırılma modeli parametreleri kullanılmıştır. Hal denklemi (EOS) olarak da lineer hal denklemi kullanılmıştır. Dolgu malzemesi olan antimon-kurşun alaşımı için izotropik elastik kırılma modeli kullanılmıştır. Ceket malzemesi olarak yer alan fişek pirinci için ise lineer hal denklemi ve Johnson-Cook dayanım modeli kullanılmıştır. Zırh plakası olarak seçilen RHA çeliği için McIntosh [8] tarafından yapılan bir çalışmadaki sayısal benzetimlerde kullanılan plastik kinematik modelinden yararlanılmıştır Örgü Yapısı Zırh delici mermi için 2 boyutlu eksenel simetrik örgü yapısı oluşturulmuş ve 2194 eleman kullanılarak Şekil 2'de gösterilen model oluşturulmuştur. Şekil mm zırh delici mermi için oluşturulan örgü yapısı Hedef plakaları için yarıçap olarak 80 mm seçilmiş olup bu değerin plaka için sınır koşullarının etkisinin görülmeyeceği bir değer olduğu varsayılmaktadır. Mermi modeline uyumlu olması açısından her bir kalınlıktaki plakanın modellenmesi sırasında eleman boyunun 0.25 mm'ye yakın bir değer olmasına çalışılmıştır. 3. SAYISAL BENZETİM SONUÇLARI Bölüm 2'de belirtilen bilgiler ışığında sayısal benzetimler koşturulmuştur. Bunlara örnek olarak Şekil 3'te 860 m/s hızla gelen merminin 12 mm'lik plakaya çarpma benzetiminin sonuç görüntüsü verilmiştir. Benzetim sonunda merminin plakayı deldiği fakat artık hızı kalmadığı için saplanıp kaldığı gözlemlenmiştir. Bu benzetim için elde edilen enerji bilançosu (Şekil 4) incelendiğinde delme işleminde ilk 0.06 ms boyunca merminin kinetik enerjisinin yaklaşık %85'i harcanarak şekilde görüldüğü gibi plastik işe dönüştüğü görülmüştür. Yine aynı şekilde benzetimde hourglass enerjisi probleminin görülmediği anlaşılmıştır. Şekil 5'te ise yine aynı benzetim boyunca mermi çekirdeğinin hız değişimi verilmiştir. Bu şekilden de anlaşıldığı gibi delme işlemi ilk 0.06 ms içerisinde gerçekleşmiştir. Yapılan sayısal benzetimler sonucunda çeşitli hızlarda gelen zırh delici mermiyi durdurabilecek olan balistik kalınlıklar Şekil 6'da verilmiştir. 850 m/s hızda gelen bir zırh delici merminin çarptığı plakalar için mermi artık hızının plaka kalınlığına bağlı olarak değişimi Şekil 7'de gösterilmiştir. Bunlara ek olarak, çeşitli plaka kalınlıkları baz alınarak mermi artık hızının mermi giriş hızına göre değişimi Şekil 8'te gösterilmiştir.

5 Şekil 3. t plaka = 12 mm, V 0 = 860 m/s; benzetim sonu görüntüsü (plakanın ortasına yaklaşılmıştır) Şekil 4. t plaka = 12 mm, V 0 = 860 m/s benzetim enerji bilançosu Şekil 5. t plaka = 12 mm, V 0 = 860 m/s benzetiminde mermi çekirdek hızının değişimi

6 V0 (m/s) plaka kalinligi-balistik (mm) Şekil 6. Çeşitli mermi giriş hızları için balistik plaka kalınları VR (m/s) plaka kalinligi (mm) Şekil 7. Mermi artık hızının plaka kalınlığına göre değişimi (V0 = 850 m/s için) 4. DEĞERLENDİRME Benzetimler sonucunda 500 m/s ile 900 m/s mermi geliş hızı aralığı için bulunan balistik plaka kalınlığının doğrusal bir şekilde arttığı gözlenmiştir (Şekil 6). Ayrıca 850 m/s hızla gelen bir mermi karşısında mermi artık hızının plaka kalınlığına bağlı olarak değişiminde (Şekil 7) ise balistik kalınlığa yaklaşılırken artık hızın giderek artan bir eğimle düştüğü, 4 ve 10 mm arası orta dereceli kalınlıklar için doğrusal bir şekilde devam ettiği ve düşük plaka kalınlıklarında ise V 0 'a yakınsadığı gözlemlenmiştir. Bu şekil için, mermi hızının arttırıldığında bu şeklin yukarı doğru kayması, azaltıldığında ise aşağı doğru kayması beklenebilir. Son olarak; Şekil 8'te ifade edilen 4 ile 12 mm arasındaki plaka kalınlıkları için mermi artık hızının mermi giriş hızına göre değişimi ise beklenildiği gibi yüksek hızlar için 45 derecelik eğim çizgisine yakınsar biçimde çıktığı, belirtilen kalınlık için balistik hıza yaklaşıldığında ise giderek artan bir eğimle düştüğü gözlemlenmiştir. Bu şekil için plaka kalınlığının giderek düşürülmesi söz

7 konusu olduğunda elde edilen şeklin giderek 45 derecelik eğim çizgisine yakınsayacağı öngörülebilir VR (m/s) tplaka = 4 mm tplaka = 6 mm tplaka = 8 mm tplaka = 10 mm tplaka = 12 mm V0 (m/s) Şekil 8. 4, 6, 8, 10 ve 12 mm kalınlıktaki RHA plakaları için mermi artık hızının mermi giriş hızına göre değişimi 5. SONUÇ Bu çalışma ile balistik zırh tasarımında kullanılacak olan plaka kalınlıklarının bilgisayar benzetimleri yolu ile öngörülebilirliğinin gösterilmesi amaçlanmıştır. Zırh plakaları için basit bir malzeme modeli kullanıldığı halde benzetimlerde tatmin edici sonuçlar alınmıştır. Kullanılan malzeme modelleri daha detaylı testlere dayandırıldığında sonuçların gerçeğe daha yakın olacağı aşikardır. Değişen mermi hızları (V 0 ) için elde edilen balistik plaka kalınlıkları incelendiğinde mermi hızının artması ile mermiyi durdurabilecek balistik kalınlıkların doğruya yakın bir şekilde arttığı gözlemlenmiştir. Sabit bir mermi hızı için plaka kalınlığının artık hıza (V R ) etkisi incelendiğinde ise düşük plaka kalınlıkları için mermi artık hızının mermi giriş hızına yakınsadığı, balistik kalınlığa doğru gidildikçe orta dereceli kalınlıklar için mermi artık hızının doğrusal bir şekilde değiştiği ve balistik kalınlığa yakın noktalarda giderek artan bir eğimle mermi artık hızının sıfıra düştüğü görülmüştür. Çeşitli plaka kalınlıkları için mermi giriş hızındaki değişimin mermi artık hızı üzerine etkisi incelendiğinde ise yüksek hızlar söz konusu olduğunda mermi artık hızının 45 derecelik eğim çizgisine yaklaştığı, mermi giriş hızı düşürülerek balistik hıza yaklaşıldığında ise mermi artık hızının giderek artan bir eğimle düştüğü gözlemlenmiştir.

8 KAYNAKÇA [1] Sanchez Galvez V., Sanchez Paradela L., "Analysis of failure of add-on armour for vehicle protection against ballistic impact", Eng Fail Anal (2008), doi: /j.engfailanal [2] Zukas J.A., Nicholas T., Swift H.F., Greszczuk L.B., Curan D.R.; "Impact Dynamics", J. Wiley, New York, 1982 [3] Century Dynamics Inc., Autodyn Theory Manual, Revision 4.3, 2005 [4] J. Hallquist, (2007),"Ls-Dyna Keyword User's Manual Version 971", Ls-Dyna Manual, LSTC, Livermore, CA, USA [5] Zukas J.A., Scheffler D.R.; "Impact effects in multilayered plates", International Journal of Solids and Structures, 38, (2001), pp [6] Century Dynamics Inc., SPH User Manual & Tutorial, Revision 4.3, 2005 [7] Buchar J., Voldrich J., Rolc S., Lisy J.; "Ballistics performance of the dual hardness armour", 20th International Symposium on Ballistics, Orlando, FL, September 2002 [8] McIntosh G.W.J.; " Finite element analysis of the effect of flyer plate impacts on rod projectiles and shaped charges", Defence R&D Canada Valcartier, Technical Memorandum, DRDC Valcartier TM , March 2004

9 EK BİLGİ Tansel Deniz; Yüzüncü Yıl İşçi Blokları Mahallesi 420. Sok. No: 245/2 Çankaya/ANKARA 06530; Ayrı bir sayfada bildiri ile ilgili iletişim bilgilerinin (ad, soyad, adres, eposta, telefon, fax) sunulması gerekmektedir.