ALÜMİNYUM METALİK KÖPÜK İHTİVA EDEN SANDVİÇ YAPILARIN MAYIN PATLAMASI YÜKLERİNE KARŞI DAVRANIŞININ SAYISAL YÖNTEMLERLE İNCELENMESİ Alper TAŞDEMİRCİ, Mustafa Güden, Çağrı ERGÖNENÇ (c) Yrd. Doç. Dr. İYTE, Dinamik Test ve Modelleme Laboratuarı, Makina Müh. Böl., 3543, İzmir, alpertasdemirci@iyte.edu.tr Prof. Dr. İYTE, Dinamik Test ve Modelleme Laboratuarı, Makina Müh. Böl., 3543, İzmir, mustafaguden@iyte.edu.tr (c) İYTE, Dinamik Test ve Modelleme Laboratuarı, Makina Müh. Böl., 3543, İzmir, ÖZET Askeri ve sivil alanlarda uygulama alanı bulan yapılar patlama yüklerine maruz kalabilmektedir. Yüksek enerji emme özelliklerinden dolayı alüminyum köpük ihtiva eden sandviç yapılar patlama yüklerine karşı korumada yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada alüminyum köpük ihtiva eden sandviç yapıların patlama yükleri etkisindeki davranışı LS-DYNA programı kullanılarak incelenmiştir. Nümerik analizler kullanılarak sandviç yapıların enerji emme özellikleri ve deformasyon profilleri aynı ağırlıktaki tek katmanlı yapılarla karşılaştırılmış ve sandviç yapıların avantajları belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Patlama, Sandviç yapılar, Alüminyum köpük, LS-DYNA. ABSTRACT Structures used in military and civilian areas can be exposed to blast loadings. Owing to their high energy absorption capabilities, aluminum foam sandwich structures are being widely used in the blast protection. In this study, the behavior of aluminum sandwich structures subjected to blast loads was examined using LS-DYNA. The energy absorption capabilities and deformation profiles of sandwich structures were compared with those of equal-weight single layer mates and the advantages of sandwich structures were determined. Keywords: Blast, Sandwich structures, Aluminum foam, LS-DYNA.
1. GİRİŞ Yüksek enerji emme kabiliyetlerinden dolayı mayın patlamasına karşı koruma sistemlerinde sandviç yapılar yaygın kullanılmaktadır [1-7]. Sandviç yapılar düşük yoğunluğa sahip çekirdek malzeme (ana malzeme) ile ön ve arka ince yüzey plakalarından oluşmaktadır. Çekirdek malzeme hafifliklerinden ve aynı zamanda yüksek enerji sönümleme kabiliyetlerinden dolayı köpük malzemelerden seçilmektedir. Kapalı hücreli alüminyum köpükler düşük yoğunluk, yüksek mukavemet ve yüksek enerji emme kabiliyetlerden dolayı patlamaya karşı koruyucu sistemlerinde kullanılma potansiyeline sahiptirler [4,8-11]. Bu çalışmada mayın patlaması yüküne maruz alüminyum köpük sandviç yapıda çekirdek ve yüzey malzemesi kalınlıklarının ve türünün yapının enerji emme özelliğine ve performansına etkileri sayısal yöntemler kullanılarak incelenmiştir. 2. METOT Patlama sonrasında patlama noktasından ortama bir şok dalgası ilerlemektedir. Bu dalgaya patlama dalgası adı verilir. Patlamanın merkezi ile koruma için kullanılan yapının ön yüzeyi arasındaki mesafe karşılama mesafesi olarak adlandırılır (Şekil 1). Şekil 1 de ise tipik bir patlama dalgasına ait basınç-zaman grafiği görülmektedir. Patlama dalgasının yüzeye ulaşmasıyla birlikte basınç aniden artarak maksimum değere ulaşmakta ve daha sonra giderek azalarak negatif bir basınç bölgesi oluşturmaktadır. Patlamayla meydana gelen itme kuvveti (impulse), basınç zaman eğrisinde t a dalga varış zamanı ve dalganın pozitif kaldığı t b zaman aralığındaki eğrinin altında kalan alandan hesaplanmaktadır. Şekil 1. Karşılama mesafesinin şematik gösterimi ve basınç dalgasının zamana bağlı değişimi Bu çalışmada 1x2 cm boyutlarında dikdörtgen sandviç bir yapı sabit bir karşılama mesafesinden patlama yüklerine maruz bırakılmıştır. Sandviç yapının patlama yüküne karşı dinamik davranışı LS-DYNA 971 [12] programı
kullanılarak simüle edilmiştir. Karşılama mesafesi 3 cm seçilmiştir. Bu mesafe zırhlı araç zemin plakası ve kara mayını arasındaki mesafeyi temsil etmektedir. Plakanın dört köşesinin de sabitlendiği kabul edilmiş ve çözüm süresini kısaltmak amacıyla simetri tanımları kullanılarak dörtte bir model hazırlanmıştır. Model, ön ve arka yüzey plakaları ve çekirdek malzeme olmak üzere üç elemandan oluşmaktadır. Sandviç yapının itme kuvveti ile temas eden ön yüzeyi çarpma yüzeyi ve diğer yüzey ise arka yüzey olarak adlandırılmıştır. İki farklı malzeme, 583 alüminyum ve 434 çelik, yüzey plakları olarak seçilmiştir. Bu malzemelerin deformasyon modellenmesinde kullanılan plastik-kinematik malzeme modeli parametreleri Çizelge 1 de verilmiştir. Alüminyum köpük malzemesi MAT_HONEYCOMB malzeme modeli ile modellenmiştir. Modelde kullanılan Al köpük malzeme İYTE tarafından üretilmiştir. Üretim detayları referans [13] de verilmektedir. Alüminyum metal köpüğüm simülasyonlarda kullanılan malzeme parametreleri Çizelge 2 de verilmiştir. Kullanılan MAT_HONEYCOMB modelinde köpük metal kritik bir deplasmandan sonra alüminyum gibi davranmaktadır. Alüminyum köpük malzemenin deneysel gerilme-hacimsel şekil değiştirme eğrileri modele direkt girilmiştir. Çizelge 1. Nümerik modelde kullanılan yüzey malzemelerinin özellikleri Malzeme Elastisite (GPa) Yoğunluk (kg/m 3 ) Pozyan oranı Akma gerilmesi Tanjant 583 Al 7,3 266,33 19 567 434 Çeliği 196, 785,3 155 2721 Çizelge 2. Nümerik modelde kullanılan alüminyum köpük malzemenin özellikleri Al elastisite (GPa) Köpük yoğunluk (kg/m 3 ) Al Pozyan oranı Al akma gerilmesi Köpük Elastisite Köpük Kayma 69 438,285 14 177 69 Nümerik modeli oluşturan elemanlar arasındaki temas için *CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE algoritması ile tanımlanmıştır. Patlama sırasında mayının gömülü olduğu toprağın özelliğinin incelenmesi bu çalışmanın kapsamında dışında tutulmuş ve mayın patlama yükü bir hava patlama yükü olarak kabul edilmiştir. Mayın patlama yük LS-DYNA içerisine entegre edilmiş ConWep basınç fonksiyonu ile temsil edilmiştir [12]. ConWep
basınç fonksiyonunu *LOAD_BLAST kartı ile tanımlanmıştır. Simülasyonlar iki kara mayınına eşdeğer 1 kg TNT kütlesi için gerçekleştirilmiş olup 1 kg TNT, 3 cm mesafeden 51,56 mikro saniye sonrasında 251 MPa lık bir maksimum basınç oluşturmaktadır. Simülasyonlar, 2 mikro saniyelik çözüm süresinde gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlarda sandviç yapının toplam kalınlığı sabit tutularak çekirdek malzemesinin kalınlığı değiştirilmiş ve alüminyum köpük malzemenin efektif hale geldiği kalınlık değerleri bulunmuştur. Alüminyum köpük çekirdek malzemesinin kalınlığının belirlenmesinde toplam sandviç yapı kalınlığı 9 cm olarak seçilmiş ve çekirdek malzemenin kalınlığı 9 adımda (,9, 1,8, 2,7, 3,6, 4,5, 5,4, 6,3, 7,2 ve 8,1 cm) değiştirilmiştir.belirlenen çekirdek malzemesi kalınlığı için değişik ön ve arka yüzey malzemeleri seçilerek yapının patlamaya karşı koruma performansı incelenmiştir. Bu inceleme sırasında sandviç yapı ile aynı ağırlığa sahip tek katmanlı yapılarla sandviç yapıların patlama karşı dayanım performansları karşılaştırılmış ve sandviç yapıların avantajları irdelenmiştir. 3. ANALİZLER Şekil 2 de 6,3 cm kalınlığında alüminyum metalik köpük çekirdek malzemesi kullanılması durumunda patlama başlangıcından itibaren 7, 17 ve 2 üncü mikro saniyelerdeki sandviç yapının deformasyonu görülmektedir. 2 üncü mikro saniyede patlama noktası merkezi paralelinde bulunan alüminyum köpük malzeme yoğunlaşma şekil değiştirme değerine ulaşmaktadır. 7 µs. 17 µs. 7 µs. Şekil 2. 6,3 cm kalınlığındaki çekirdek köpük sandviç yapıda patlama yükü etkisi altında meydana gelen deformasyon Şekil 3 da farklı kalınlıklarda alüminyum köpük ihtiva eden sandviç yapılara ait iç enerjilerin zamana bağlı değişimi görülmektedir. Çekirdek malzemesinin kalınlığı arttıkça sandviç yapının iç enerjisi ve dolayısıyla enerji sönümleme kabiliyeti artmaktadır. Bu şekilden de görülebileceği gibi çekirdek malzemesinin kalınlığı arttıkça sandviç yapının etkinliği de artmaktadır. Bu sonuçlar daha önce benzer yapılar üzerine yapılan çalışmaların sonuçları ile oldukça uyumludur [4,14]. Bununla birlikte bu etkinlik ön ve arka yüzey plakalarının kalınlıklarıyla sınırlanmaktadır. Sandviç yapının kalınlığının sabit tutulması ile, çekirdek malzeme kalınlığının artmasıyla ön ve arka yüzey plakalarının kalınlıkları azalmaktadır. Nümerik simülasyon sonuçlarından da görülebileceği gibi çekirdek malzemesinin kalınlığı arttıkça yapıda meydana gelen kalıcı deformasyon miktarı da artmaktadır (Şekil 3).
İç enerji (1 5 J) 3.5 3 2.5 2 1.5 1.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.4 6.3 7.2 8.1 Deformasyon (cm) 3 25 2 15 1.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.4 6.3 7.2 8.1.5 5 5 1 15 2 5 1 15 2 Şekil 3. Farklı kalınlıkta alüminyum köpük ihtiva eden sandviç yapılarda iç enerjinin ve deformasyonun zamana bağlı değişimleri Patlama yükü etkisi altında ön ve arka yüzey plakları eğilme momenti etkisinde oluşan eksenel basma ve çekme gerilmelerini taşırken, çekirdek sandviç yapının kalınlığı boyunca oluşan kayma kuvvetlerini taşımaktadır. Yüzeylerdeki eşdeğer gerilme değeri akma mukavemetine ulaşması ile plastik deformasyon başlamakta ve yükleme devam ettiği takdirde yüzey plakları yırtılarak hasara uğrar. Yüzeylerdeki gerilme değerleri bölgesel olarak kararsızlık seviyelerine ulaşırsa yüzeylerde burkulmalar meydana gelir. Simülasyonlar 7,2 cm'den daha kalın çekirdek malzemeleri kullanılması durumunda sandviç yapıda çok yüksek kalıcı deformasyon değerleri ve yırtılmaların olduğunu göstermiştir. Bu nedenle nümerik çalışmalar 6,3 ve 7,2 cm kalınlığındaki çekirdek malzemelerinin kullanıldığı sandviç yapılar üzerinde devam edilmiştir. Bu iki çekirdek malzeme kalınlıkları yüksek enerji sönümlenmesini sağlarken aynı zamanda yapının tamamının hasara uğramasını önlemektedir. Şekil 4 da 6,3 cm kalınlığında çekirdek malzemesi kullanılması durumunda ön yüzey, çekirdek ve arka yüzeyde oluşan ivmelerin zamana bağlı değişimleri görülmektedir. Patlama dalgasının sandviç yapı içerisinde ilerlemeye başlamasıyla birlikte ön yüzey ve çekirdek hızla ivmelenmektedir. Çekirdek gerilme dalgasının ön yüzeyden arka yüzeye geçişini önemli miktarda geciktirmektedir. Bununla birlikte arka yüzeyin maruz kaldığı ivme ön yüzeyinkinden her zaman daha düşük değerlerde kalmaktadır. Arka yüzeyde görülen ivmenin maksimum değeri ön yüzeyde görülen değere göre % 66.8 daha azdır. Yüksek ivmelenmeden dolayı ön yüzeyin deformasyon hızı arka yüzeye göre daha yüksektir. Bununla birlikte arka yüzey, ön yüzey ve çekirdeğin aksine hiçbir zaman negatif ivmelenmeye maruz kalmamıştır. Ayrıca, Şekil 4'de görüldüğü üzere çekirdek malzemesinin kalınlığı arttıkça ön yüzeyde meydana gelen ivme de artmaktadır. Bununla birlikte çekirdek kalınlığının artışı ile birlikte arka yüzeyde
görülen ivmedeki artış ön yüzeydeki artışa göre oldukça sınırlı kalmaktadır. Ayrıca modellerden, çekirdek kalınlığının artışı ile birlikte gecikme zamanın (ön ve arka yüzeylerdeki ivmelenmelerin başlaması anlarındaki zaman farkı) lineer olarak arttığı tespit edilmiştir. Buradan çekirdek kalınlığının sandviç yapının davranışı üzerinde ne kadar etkili olduğu görülmektedir. 6 1-5.12 İvme (cm/mikro saniye 2 ) 5 1-5 4 1-5 3 1-5 2 1-5 1 1-5 Ön yüzey Çekirdek Arka yüzey İvme (cm/microsecond 2 ).1 8 1-5 6 1-5 4 1-5 Ön yüzey Çekirdek Arka yüzey 2 1-5 -1 1-5 1 2 3 4 5 6 2 4 6 8 Köpük kalınlığı (cm) Şekil 4. Sandviç yapı oluşturan elemanlarda ivmenin zamana ve köpük kalınlığına bağlı değişimleri Efektif sonuçlar veren 6,3 ve 7,2 cm çekirdek kalınlığındaki sandviç yapıların patlama yükleri karşısındaki davranışları, bu yapılarla eşit ağırlıklardaki (kalınlıkları sırasıyla 3,57 ve 2,79 cm olmak üzere) tek katmanlı alüminyum plakalarla karşılaştırılmıştır. Şekil 5 da sandviç yapılar ve bu yapılarla eşit ağırlıktaki tek katmanlı alüminyum plakaların iç enerji değişimleri görülmektedir. Alüminyum köpük içeren sandviç yapı her iki kalınlık değeri için de alüminyum plakalar göre daha yüksek enerji sönümleme özelliği göstermektedirler. Sandviç yapılarda deformasyon başlangıcında iç enerji artış hızı tek katmanlı yapılara göre daha yüksek olmaktadır. Bu durumun alüminyum köpük malzemenin plato bölgesindeki sabit gerilme altındaki deformasyon özelliğinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Ortalama iç enerji değişimi iç enerjinin zamana bağlı değişimini gösteren eğrinin altında kalan alanın toplam zamana bölünmesiyle elde edilmiştir. Şekilden de görülebileceği üzere 6,3 ve 7,2 cm kalınlığında çekirdek malzemesi ihtiva eden sandviç yapıların eşdeğer ağırlıktaki alüminyum plakalara göre enerji sönümleme kabiliyetleri sırasıyla %136 ve %151,53 kadar daha fazladır. 6,3 ve 7,2 cm kalınlığında alüminyum köpük çekirdek malzemesi ve alüminyum yüzeyler ihtiva eden sandviç yapılarla eşdeğer ağırlıkta olan tek katmanlı çelik plakaların kalınlıkları sırasıyla 1,2673 ve 1,12 cm olarak alınmıştır. Şekil 5'de çelik sandviç yapıların ve tek katmanlı çelik plakaların iç enerjilerinin
zamana bağlı değişimleri görülmektedir. 6,3 ve 7,2 cm kalınlığında çekirdek malzemesi ihtiva eden sandviç yapıların eşdeğer ağırlıktaki çelik plakalara göre enerji sönümleme kabiliyetleri sırasıyla % 151 ve % 16 kadar daha fazladır. 3.5 3 2.5 alüminyum plaka, 6,3 cm alüminyum plaka, 7,2 cm sandviç yapı, 6,3 cm sandviç yapı, 7,2 cm 3.5 3 2.5 çelik plaka, 6,3 cm çelik plaka, 7,2 cm sandviç yapı, 6,3 cm sandviç yapı, 7,2 cm İç enerji (1 5 J) 2 1.5 İç enerji (1 5 J) 2 1.5 1 1.5.5 5 1 15 2 5 1 15 2 Şekil 5. 6,3 ve 7,2 cm kalınlığında köpük ihtiva eden sandviç yapıların ve bu yapılarla eşit ağırlıktaki tek katmanlı alüminyum ve çelik plakaların iç enerjilerinin zamana bağlı değişimleri 4. SONUÇ Bu çalışmada alüminyum köpük ihtiva eden sandviç yapıların mayın patlaması yükü etkisi altında davranışları LS-DYNA programı kullanılarak incelenmiştir. Alüminyum köpük ihtiva eden sandviç yapıların patlama yükleri altında enerji sönümleme özellikleri yönünden oldukça etkili olduğu gözlemlenmiştir. Sonuçlar köpük kalınlığının artışı ile birlikte yapının enerji sönümleme özelliğinin ve dolayısıyla patlamalara karşı dayanımının arttığını göstermektedir. Sandviç yapıların kendileri ile aynı ağırlıkta olan tek katmanlı yapılara göre % 5 den % 15 ye kadar artan oranlarda patlama performansını iyileştirdiği tespit edilmiştir. KAYNAKÇA [1] V. S. Deshpande ve N. A. Fleck, (25), ''One-dimensional response of sandwich plates to underwater shock loading'', Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 53, 2347-2383.
[2] N. A. Fleck ve V. S. Deshpande, (24), ''The resistance of clamped sandwich beams to shock loading'', Journal of Applied Mechanics, 71, 386-41. [3] J. A. Main ve G. A. Gazonas, (28), ''Uniaxial crushing of sandwich plates under air blast: Influence of mass distribution'', International Journal of Solids and Structures, 45, 2297-2321. [4] D. D. Radford, N. A. Fleck ve V. S. Deshpande, (26), ''The response of clamped sandwich beams subjected to shock loading'', International Journal of Impact Engineering, 32, 968-987. [5] Z. Xue ve J. W. Hutchinson, (26), ''Crush dynamics of square honeycomb sandwich cores'', International Journal for Numerical Methods in Engineering, 65, 2221-2245. [6] F. Zhu, Z. Wang, G. Lu ve L. Zhao, (29), ''Analytical investigation and optimal design of sandwich panels subjected to shock loading'', Materials & Design, 3, 91-1. [7] F. Zhu, L. Zhao, G. Lu ve E. Gad, (29), ''A numerical simulation of the blast impact of square metallic sandwich panels'', International Journal of Impact Engineering, 36, 687-699. [8] A. G. Hanssen, L. Enstock ve M. Langseth, (22), ''Close-range blast loading of aluminium foam panels'', International Journal of Impact Engineering, 27, 593-618. [9] D. D. Radford, V. S. Deshpande ve N. A. Fleck, (25), ''The use of metal foam projectiles to simulate shock loading on a structure'', International Journal of Impact Engineering, 31, 1152-1171. [1] D. D. Radford, G. J. McShane, V. S. Deshpande ve N. A. Fleck, (26), ''The response of clamped sandwich plates with metallic foam cores to simulated blast loading'', International Journal of Solids and Structures, 43, 2243-2259. [11] R. Sriram, U. K. Vaidya ve J. E. Kim, (26), ''Blast impact response of aluminum foam sandwich composites'', Journal of Materials Science, 41, 423-439. [12]Ls-dyna keyword user's manual. Livermore Software Technology Corporation,26. [13] M. Guden ve S. Yuksel, (26), ''Sic-particulate aluminum composite foams produced from powder compacts: Foaming and compression behavior'', Journal of Materials Science, 41, 475-484. [14] J. W. Hutchinson ve Z. Xue, ''Metal sandwich plates optimized for pressure impulses'', International Journal of Mechanical Sciences, 47, 545-569.