ÇOK KATMANLI ZİKZAK 1050 H14 AL İKİZKENAR YAMUK DALGALI GÖBEKLİ SANDVİÇ PANELLERİN BALİSTİK LİMİTİNİN BELİRLENMESİ Cenk Kılıçaslan (a), İsmet Kutlay Odacı (b), Mustafa Güden (c) (a) İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü, Gülbahçe Kampüsü, cenkkilicaslan@iyte.edu.tr (b) İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü, Gülbahçe Kampüsü, kutlayodaci@iyte.edu.tr (c) İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölümü, Gülbahçe Kampüsü, mustafaguden@iyte.edu.tr ÖZ Bu çalışma, çok katmanlı zikzak 1050 H14 Al ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç panellerin balistik testlerini ve sonlu elemanlar simülasyonlarını içermektedir. Balistik testler, 30 mm çaplı küresel çelik projektör kullanılarak 6 bar basınç kapasiteli atış sisteminde gerçekleştirilmiştir. Projektörün giriş ve çıkış hızları sisteme entegre edilen lazer okuyucular tarafından belirlenmiştir. Çalışmada sert lehim ile birleştirilmiş alüminyum dalgalı sandviç panel kullanılmıştır. 1050 H14 alüminyum malzemesinin akma davranışı Johnson-Cook akış modeli ile modellenmiştir. Test sisteminin tam geometrik modeli LS-DYNA programı kullanılarak oluşturulmuştur. Deneysel olarak belirlenen projektör çıkış hızı ve panelde oluşan hasar, simülasyondan elde edilen çıkış hızı ve hasar ile karşılaştırılarak nümerik model doğrulanmış ve model ile farklı projektör hızlarında balistik testler gerçekleştirilip, mevcut dalgalı sandviç panelin balistik limiti çıkarılmıştır. Anahtar Kelimeler: Balistik, Sandviç yapı, LS-DYNA, balistik limit, Johnson-Cook
1. GİRİŞ Sandviç yapılar, günümüzde yüksek oranlarda enerji sönümlemeleri, hafif yapıları ve üretim kolaylığı gibi özelliklerinden dolayı birçok mühendislik uygulamasında geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Özellikle askeri uygulamada şok emici ya da mermi durducu olarak kullanılabilir olması bu yapıları vazgeçilmez kılmaktadır. Sandviç yapılar genellikle ön ve arka yüzey plakaları ile bunların ortasında bulunan göbek yapıdan oluşmaktadır. Göbek olarak çoğunlukla metal köpükler ya da bal peteği yapılar kullanılmaktadır[1, 2]. Özellikle alüminyum köpük gibi malzemelerin yapımı yüksek hassasiyet, teknoloji ve tecrübe istemektedir. Bu yapılara alternatif olarak, çeşitli geometriler kullanılmaktadır (Piramit, küre yada üçgen göbek v.b. yapılar). Bu geometrilerden biri de dalgalı yapılardır. Dalgalı yapılar yüksek yöne bağımlı rijitliğe [2] ve yüksek ezilme dayanımına[3] sahiptir. Bu yapıların çarpışma özellikleri balistik testler ile belirlenmektedir. Literatürde mono blok ve sandviç yapıların balistik testleri ile ilgili çalışmalar mevcuttur. Nia ve çalışma arkadaşları[4] alüminyum 5052-H39 bal peteği göbeğe sahip sandviç yapıların balistik testlerini gerçekleştirmişler ve balistik limitini belirlemişlerdir. Geliştirdikleri analitik model ile yapının balistik limitinin yaklaşık olarak belirlenebileceğini göstermişlerdir. Hou ve çalışma ekibi [5] alüminyum köpük göbek malzemeye sahip sandviç yapıların balistik testlerini yapmışlardır. Testlerde farklı ön panel ve göbek kalınlığının, göbek malzemesi yoğunluğunun, mermi hızının ve mermi geometrilerinin yapının balistik limitine olan etkisi araştırılmıştır. Kalın ön-arka plaka ve kalın-yüksek yoğunluklu göbek kullanımının balistik limiti arttırdığı, yüksek mermi hızlarının ise balistik limiti azalttığı bulunmuştur. Düz burunlu mermilerin yapılara yüksek hasar verdiği görülmüştür. Iqbal ve diğerleri[6] sünek metallerin balistik dayanımlarını ABAQUS programında oluşturdukları üç boyutlu sonlu elemanlar modelleri ile belirlemişlerdir. Çalışmalarında Weldox460 E çeliği ve 1100- H12 alüminyum plakalar kullanmışlardır. Merminin burun açısının Weldox çeliğinin hasar mekanizmasında çok etkili olduğunu ve hasarın, uç açısı büyüdükçe sünek hasardan kayma-açılma hasarına döndüğü görülmüştür. Mermi ucunun geometrisinin ise 1100-H12 plakaların hasarında etkili olduğu, düz uçlu mermi ile yapılan analizlerde hasarın kayma-açılma olarak, yuvarlak uçlu mermiler ile yapına analizlerde ise hasardan önce temas bölgesinin çekme gerilmesine ve incelmeye maruz kaldığını belirlemişlerdir. Jonhson ve diğerleri[7] monolitik, iki ve üç katmanlı metalik plakların balistik performanslarını 7.62 mm APM2 tipi mermi kullanarak LS-DYNA programı ile numerik olarak belirlemişlerdir. Mermi hızları 775-950 m/s arasında değişmekte olup, plakalar Weldox 750 E çelik, 7075-T651 alüminyum ve bu malzemelerin bir araya getirmesinden oluşturulmuştur. Çelik monolitik yapının, iki ve üç katmanlı yapılara kıyasla daha yüksek balistik performansa sahip olduğu, alüminyumlarda ise 20 mm kalınlığın altındaki plakalarda performans farkının çok az olduğu, 30 mm kalın
plakalarda ise farkın yükseldiği görülmüştür. Ayrıca aynı alan yoğunluğuna sahip alüminyum ve çelik malzeme karşılaştırıldığında, alüminyum plakaların daha iyi balistik performansa sahip olduğu belirlenmiştir. Bu çalışmada, çok katmanlı zikzak 1050 H14 Al ikizkenar yamuk dalgalı göbekli sandviç panellerin balistik testleri yapılmış ve test sisteminin nümerik modeli oluşturulmuştur. Balistik testler, 30 mm çaplı küresel çelik projektör kullanılarak 6 bar basınç kapasiteli atış sisteminde gerçekleştirilmiştir. Projektörün giriş ve çıkış hızları sisteme entegre edilen lazer okuyucular tarafından belirlenmiştir. Çalışmada sert lehim ile birleştirilmiş alüminyum dalgalı sandviç panel kullanılmıştır. 1050 H14 alüminyum malzemesinin akma davranışı Johnson-Cook akış modeli ile modellenmiştir. Test sisteminin tam geometrik modeli LS-DYNA programı kullanılarak oluşturulmuştur. Deneysel olarak belirlenen projektör çıkış hızı ve panelde oluşan hasar, simülasyondan elde edilen çıkış hızı ve hasar ile karşılaştırılarak nümerik model doğrulanmış ve model ile farklı projektör hızlarında balistik testler gerçekleştirilip, mevcut dalgalı sandviç panelin balistik limiti çıkarılmıştır. 2. Sandviç paneller ve deneyler Bu çalışmada kullanılan sandviç paneller, ön ve arka yüzey plakaları, ara katman plakaları ve zikzak 1050 H14 Al ikizkenar yamuk dalgalı göbek saclarından oluşmaktadır. Göbek sacı ve sandviç panel Şekil 1(a) ve (b) de gösterilmektedir. Sandviç yapıdaki tüm bileşenler1050 H14 Al alaşımından yapılmıştır. Her bir dalgalı sac 9 mm yüksekliğindedir. Yüzey plakaları 1,5 mm, arak atman plakaları ise 0,5 mm kalınlığındadır. Panel boyutu 200x200x70 mm dir. Her bir göbek, ara ve yüzey plakalar ile birlikte üst üste konularak sert lehim işlemine tabi tutulmuştur. Bu işlemde panel 4340 doldurucu lehim malzemesi ile ısıl işleme tabi tutularak birleştirilmiştir. Bu işlemde panel, 13 dakika boyunca 200 C den 600 C ye kadar fırın içeresinde ısıtılmaktadır. Daha sonra oda sıcaklığına havada bekletilerek soğutulmaktadır. (a) (b) Şekil 1. (a) Alüminyum dalgalı sac ve (b) Al dalgalı sandviç panel
1050 H14 al alaşımının gerinim-gerilme eğrileri, 1x10-3 s -1 gerinim hızında deplasman kontrollü SHIMADZU test makinesinde gerçekleştirilen çekme deneyleri ile belirlenmiştir. Çekme numuneleri ASTM E8M-04 standardına [8] göre çıkarılmıştır. Çekme numuneleri deneylerden önce sert lehim işlemi sırasında gerçekleştirilen ısıl işleme tabi tutulmuştur. Çekme deneylerinden elde edilen gerçek gerilme-gerçek plastik gerinim eğrileri numerik analizlerde malzemelerin akış gerilmesini modellemek amacıyla kullanılan Johnson-Cook akma modeli sabitlerinin bulunmasında kullanılmıştır. Balistik testler, 6 bar basınç kapasitesine sahip atış sisteminde gerçekleştirilmiştir (Şekil 2(a)). Deneylerde sandviç paneller, 150x150x20 mm boyutlarında olan tutucuya civata bağlantısı ile sabitlenmiştir (Şekil 2(b)). Testlerde 30 mm çapa sahip, çelik küre projektör kullanılmıştır. Projektör, sabot köpük içerisine yerleştirilmiştir. Test sırasında serbest bırakılan hava sabotu namlu boyunca sürüklemektedir. Namlu sonundaki durdurucu kısım sabotu durdurarak sadece projektörün numuneye ulaşmasını sağlamaktadır. Projektörün giriş ve çıkış hızları sisteme entegre edilen lazer okuyucular tarafından belirlenmiştir(şekil 3(a)). (a) (b) (c) Şekil 2. (a)atış sistemi, (b)numune tutucu, (c)lazer okuyucular Panellerin balistik limiti aşağıda verilen denklem kullanılarak bulunmuştur; V b V 2 V 2 i r (1) burada Vb, Vi ve Vr sırası ile balistik limit hızı, projektörün ilk hızı ve projektörün son hızıdır.
3. Sonlu elemanlar modeli Sonlu elemanlar modelleri LS-DYNA v.971 programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tüm analizlerde explicit numerik çözüm yöntemi kullanılmıştır. Simülasyonlar, sandviç panel, tutucular ve projektörden oluşmaktadır (Şekil 3(a)). Sandviç panelin sonlu elemanlar ağında kabuk (Al dalgalı saclarda) ve dört kenarlı katı elemanlar (plakalarda) kullanılmıştır. Panel in sonlu elemanlar ağı toplam 362880 kabuk ve 289624 adet katı eleman içermektedir. (a) (b) Şekil 3. SE Simulasyonları: (a)model, (b)modelde kullanılan sandviç panel Tutucular ve projektörde MAT_RIGID malzeme modeli, numunede ise MAT_SIMPLIFIED_JOHNSON_COOK malzeme modeli kullanılmıştır. Bu model aşağıda verilmiştir[1]; A B n 1 c ln (2) 0 Denklem 2 de, σ, ε ve sırasıyla, efektif gerilme, gerinim ve gerinim hızıdır. A, B, n, c, m model sabitleri, 0 referans gerinim hızıdır. Alüminyum alaşımlarının akma gerilmesi gerinim hızından etkilenmemektedir. Bu nedenle denklem 2 de gösterilen ikinci parantez göz ardı edilmiştir. Simulasyonlarda dört farklı kontak tipi kullanılmıştır. Tutucular ve numuneler arasında AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE, projektör ve panel arasında ERODING_SURFACE_TO_SURFACE, panelin kendi içerisinde ise ERODING_SINGLE_SURFACE kontak algoritmaları kullanılmıştır. Her bir kontakta statik ve dinamik sürtünme katsayıları sırası ile 0,3 ve 0,2 olarak alınmıştır. Panelde oluşan hasar modelde eleman silme esasına dayanmaktadır. 4. Sonuçlar ve tartışma Şekil 4(a) ve (b) de balistik test ve simulasyon sonunda sandviç panelde meydana gelen deformasyon gösterilmektedir. Projektör panele tamamen nüfuz etmiş, plakada
sınırlandırılmış bir hasar yaratmıştır. Panelin ön yüzünde çökme meydana geldiği, arka yüzdeki hasar bölgesinde çanaklar oluştuğu görülmüştür. Projektör numuneye 150 m/s hız ile çarpmış ve 90 m/s hız ile panelden çıkmıştır. Nümerik modelde panelde meydana gelen deformasyon şekli deneysel sonuçlar ile son derece uyumlu olduğu görülmektedir (Şekil 4(c)). Şekil 5 de delinme bölgesinde göbek yapıda oluşan deformasyon görülmektedir. Meydana gelen çarpma ile zikzak dalgalı göbeğin fin duvarlarında eğilme ve burkulma görülmüştür (Şekil 5). Meydana gelen deformasyon lokalize olduğundan göbeğin enerji emilimine katısının, ara ve yüz plakalarına göre daha az olduğu belirlenmiştir. (a) (b) (c) Şekil 4. Balistik deney ve simulasyon sonucu: (a)ön yüz, (b)arka yüz ve (c) kesit görünüşü Şekil 5. Zikzak dalgalı göbeğin fin duvarlarında meydana gelen deformasyon
Şekil 6 da projektörün hız-zaman grafiği deneysel veri ile gösterilmektedir. Panel projektörün enerjisini 0 ile 0.8 milisaniye zaman aralığında sönümlemiştir. Ancak tüm enerji sönümlenemediğinden, projektör paneli delerek çıkmıştır. Simulasyondan ve deneyden okunan projektörün son hızı arasında %3 lük bir fark oluşmuştur. Bu hata oranı kabul edilebilir seviyededir. Şekil 6. Hız-zaman grafiği: Simulasyon ve deney Tablo 1 de simülasyonlar ile gerçekleştirilen balistik testler sonucunda projektörün giriş hızları (Vi), çıkış hızları (Vr) ve yapının Denklem 1 kullanılarak hesaplanan balistik limit hızları verilmiştir. Tablo dan da görüleceği üzere alüminyum dalgalı yapının balistik limiti yaklaşık 117 m/s civarında çıkmıştır. Tablo 1. Projektörün giriş ve çıkış hızları Hızlar [m/s] Simulasyon 1 Simulasyon 2 Simulasyon 3 Simulasyon 4 V i 110 120 140 150 V r 0 28 77 93.2 V b 110 116.7 116.9 117.5 5. Sonuç Bu çalışmada alüminyum dalgalı sandviç panellerin balistik testleri ve bu işlemlerin SE simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Balistik test 150 m/s giriş hızına sahip projektör ile gerçekleştirilmiş ve projektörün son hızı lazer okuyucular tarafından belirlenmiştir. Bu
test oluşturulan SE modelinin doğrulanması için kullanılmıştır. Daha sonra SE modeli kullanılarak farklı projektör hızlarında balistik testler yapılmış ve yapının balistik limit hızının 117 m/s civarında olduğu bulunmuştur. Alüminyum dalgalı panellerin balistik uygulamalarda kullanılabilir olduğu görülmüştür. 6. KAYNAKÇA [1] A. K. Pickett, A. J. Lamb, and F. Chaudoye,(2009) "Materials characterisation and crash modelling of composite-aluminium honeycomb sandwich material," International Journal of Crashworthiness, vol. 14, pp. 1-15. [2] C.-C. Liang, M.-F. Yang, and P.-W. Wu,(2001) "Optimum design of metallic corrugated core sandwich panels subjected to blast loads," Ocean Engineering, vol. 28, pp. 825-861. [3] D. D. Radford, N. A. Fleck, and V. S. Deshpande, (2006) "The response of clamped sandwich beams subjected to shock loading," International Journal of Impact Engineering, vol. 32, pp. 968-987. [4] A. Alavi Nia, S. B. Razavi, and G. H. Majzoobi, (2008) "Ballistic limit determination of aluminum honeycombs Experimental study," Materials Science and Engineering: A, vol. 488, pp. 273-280. [5] W. Hou, F. Zhu, G. Lu, and D.-N. Fang,(2010) "Ballistic impact experiments of metallic sandwich panels with aluminium foam core," International Journal of Impact Engineering, vol. 37, pp. 1045-1055. [6] M. A. Iqbal, G. Gupta, A. Diwakar, and N. K. Gupta,(2010) "Effect of projectile nose shape on the ballistic resistance of ductile targets," European Journal of Mechanics - A/Solids, vol. 29, pp. 683-694. [7] E. A. Flores-Johnson, M. Saleh, and L. Edwards, (2011) "Ballistic performance of multi-layered metallic plates impacted by a 7.62-mm APM2 projectile," International Journal of Impact Engineering, vol. 38, pp. 1022-1032. [8] ASTM Standart E 8M-04 ''Standard Specification for Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials '' ASTM International,West Conshohocken, PA, 2004, www.astm.org. [Online]. [9] W. Johnson and A. G. Mamalis, "A survey of some physical defects arising in metal working processes,in:," in Proceedings of the 17th International MTDR Conference, London, UK, 1977, pp. 607-621.