Farklı lif malzemelerinden oluşan çok katmanlı zırhların hesaplamalı balistik analizi

Abstract

Bu tez çalışmasında, farklı yüksek performanslı lif malzemelerinden oluşturulan çok katmanlı tekstil zırh yapıların balistik çarpma altındaki dinamik tepkisi hesaplamalı olarak incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı, standartlaştırılmış bir çarpma senaryosu altında farklı serim kombinasyonlarının davranışını aynı sayısal çerçevede karşılaştırmak ve özellikle arka yüz deformasyonu (backface signature, BFS) açısından daha avantajlı tasarım eğilimlerini ortaya koymaktır. Balistik çarpma çok kısa sürede yüksek enerji aktarımı ve yüksek ivmeler içerdiği için, zırh performansı yalnızca çarpıcının yavaşlatılması üzerinden değil; yükün katmanlar arasında ne kadar hızlı paylaşıldığı, gerinim birikiminin yapı içinde nasıl dağıldığı ve arka yüzde oluşan deformasyonun büyüklüğü gibi ölçütlerle birlikte değerlendirilmelidir. Bu nedenle tez boyunca BFS, maksimum normalize gerinim seviyesi, mermi hızının zamana bağlı değişimi ile deplasman ve gerinim zaman geçmişleri birlikte ele alınmış; hem global performans hem de mekanizma düzeyinde yorum üretmek hedeflenmiştir. Modelleme tarafında çarpıcı, mermi benzeri davranış sergileyen rijit bir kütle olarak idealize edilmiştir. Çarpıcı geometrisi dik dairesel silindir (right circular cylinder, RCC) olarak seçilmiş ve çarpma normal doğrultuda tanımlanmıştır. Normal çarpma varsayımı, hızın tek eksende tanımlanmasını sağlayarak kinematik büyüklüklerin yorumunu netleştirmekte; hedef içinde oluşan gerilme dalgalarının ve katmanlar arası etkileşimlerin daha doğrudan incelenmesine imkân vermektedir. Zırh hedefi, Kevlar, Dyneema ve Zylon liflerinden oluşan çok katmanlı bir yapı olarak modellenmiştir. Her katman, modele giren yoğunluk ve elastik/dinamik parametrelerle temsil edilmiş; katmanların sıralanışı ve kombinasyonları değiştirilerek farklı numune tasarımları oluşturulmuştur. Böylece aynı çarpıcı tanımı ve aynı sınır koşulları altında, malzeme türü ile katman sırasının dinamik tepkiye etkisi karşılaştırmalı olarak incelenebilmiştir. Bu yaklaşımın temel amacı, tek bir en güçlü malzeme arayışından çok, serim mimarisinin balistik yanıt üzerindeki etkisini ortaya koymaktır. Bu çalışmanın yöntemsel omurgasını, balistik yükün hedef içinde statik biçimde değil, gerilme dalgaları halinde yayıldığı kabulü oluşturmaktadır. Dalga yayılımı, katmanlar arası yansıma–iletim etkileri ve malzeme özelliklerindeki farklılıklar, yükün zırh kalınlığı boyunca nasıl taşındığını belirleyen temel mekanizmalardır. Bu nedenle serim düzeni yalnızca malzeme seçiminin bir sonucu değil; yük paylaşımının zamanlamasını, gerinimin hangi katmanlarda yoğunlaşacağını ve arka yüz deformasyonunun gelişimini belirleyen doğrudan bir tasarım değişkenidir. Katmanlı lifli yapılarda enerji yayılımı ve dinamik tepki; liflerin çekme altında yük taşıması, katmanlar arası etkileşimler, kayma davranışı ve global deformasyon konisinin oluşumu ile şekillenmektedir. Bu nedenle aynı toplam alan yoğunluğuna sahip iki farklı tasarım, BFS ve gerinim dağılımı bakımından farklı performans gösterebilmektedir. Tezde bu farklar, hız, deplasman ve gerinim zaman geçmişleri üzerinden ve seçilen özet performans ölçütleri ile birlikte değerlendirilmiştir. Hedefin zamana bağlı tepkisi, sonlu farklar yöntemi (finite difference method, FDM) tabanlı bir MATLAB çözümleyicisi ile hesaplanmıştır. Süreklilik denklemleri uzay ve zamanda ayrıklaştırılmış; çözüm, açık zaman integrasyonu mantığında adım adım ilerletilmiştir. FDM'nin tercih edilme nedeni, dalga yayılımı ağırlıklı dinamik problemlerde değişkenlerin zaman içinde düzenli ve kontrollü biçimde güncellenmesine imkân vermesi, parametrik karşılaştırmalar için uygun bir hesaplama altyapısı sunması ve katmanlı yapıların parça parça değişen özelliklerini doğrudan temsil edebilmesidir. Zaman adımı seçiminde Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) kararlılık koşulu esas alınmış; modelde tanımlanan en yüksek dalga yayılım hızına bağlı olarak sayısal çözümün kararlı ve fiziksel olarak anlamlı kalması hedeflenmiştir. Katmanlar arası normal ve kayma yönündeki etkileşimler, eşdeğer ara yüzey rijitlik parametreleri ile modele dahil edilmiş; böylece katmanların birlikte çalışma davranışı ve BFS oluşumu sırasında ortaya çıkan global koni deformasyonu daha gerçekçi biçimde temsil edilmeye çalışılmıştır. Geliştirilen çözümleyici, çarpma boyunca katmanlarda oluşan hız, deplasman ve gerinim zaman geçmişlerini üretmekte; bu alan değişkenleri üzerinden tasarımlar arası kıyas yapılmasına imkân vermektedir. Elde edilen çıktılar, çarpma etkisinin ilk temas bölgesinden başlayarak katmanlara nasıl yayıldığını, hangi serimlerde yükün daha erken ve dengeli dağıldığını ve arka yüzde oluşan deformasyonun hangi dinamik süreçlerle büyüdüğünü göstermektedir. BFS'yi düşük tutabilen tasarımlarda, yükün daha geniş bir alana yayılması ve gerinim birikiminin katmanlar arasında daha dengeli paylaşılması beklenirken; bazı serimlerde daha lokal tepki oluşması arka yüz deformasyonunu artırabilmektedir. Bu bağlamda tez, yalnızca hangi numunenin daha iyi performans verdiğini değil, serim sırasının ve malzeme dağılımının bu sonuca hangi fiziksel mekanizmalar üzerinden katkı yaptığını da yorumlamayı amaçlamaktadır. Sonuç olarak bu tez, farklı lif malzemelerini içeren çok katmanlı tekstil zırhların hesaplamalı karşılaştırılması için sonlu farklar temelli bir altyapı sunmaktadır. Önerilen yaklaşım, özellikle BFS odaklı tasarım değerlendirmelerinde, farklı serim mimarilerinin göreli performanslarını aynı sayısal çerçeve içinde incelemeye imkân vermektedir. Çalışma, mutlak deneysel doğrulamanın yerine geçmeyi değil; erken tasarım aşamasında serim kombinasyonlarını sistematik biçimde elemek, karşılaştırmak ve daha umut verici düzenlemeleri belirlemek için kullanılabilecek sade ve izlenebilir bir yöntem ortaya koymayı hedeflemektedir. Bu yönüyle tez, çok katmanlı lifli zırhların balistik tepkisinin anlaşılmasına ve optimum tasarım arayışına mühendislik açısından uygulanabilir bir hesaplama çerçevesi sunmaktadır.