Ökzetik çekirdeğe sahip sandviç plakların parçacık etkili patlama yükü altında dinamik davranışı

Abstract

Askeri amaçla kullanılan bir çok araç ve ekipman görevleri süresince patlama ve balistik etkilere maruz kalabilmektedirler. Bir patlama sonucu ortaya çıkan yüksek basınç ve sıcaklık etkisiyle yapıda ciddi deformasyonlar, yırtılmalar ve çok yüksek ivmeler oluşabilir. Ayrıca katı bir cismin yüksek hızda bir mermi gibi isabeti sonucunda yapı hasar alırken, yapının bu etkiye dayanamayıp yırtılması sonucunda içerideki personel yaralanabilir hatta hayatını kaybedebilir. Askeri araç ve ekipmanlarda dış yüzey bir zırh işlevi görmektedir. Bu zırhın dayanımını artırmak gerekirken aynı zamanda hafif tasarımlar ortaya koymak amacıyla sandviç yapılar ortaya çıkmıştır. Malzemelerin temel özelliklerinden biri olan Poisson oranı, malzemenin bir kuvvet etkisi altında vereceği cevabı temsil etmektedir. Daha iyi bir şekilde ifade etmek gerekirse, kuvvet etkisine maruz kalan bir malzemenin yanal yöndeki gerinim miktarının eksenel yöndeki gerinim miktarına oranı olarak tarif edilebilir. Poisson oranı birimsizdir ve -1 ile 0.5 arasında değerler alır. Geleneksel malzemelerin poisson oranları 0 ile 0.5 arasında değişmektedir. Ökzetik malzemeler ise negatif poisson oranına sahip malzemelerdir. Ökzetik malzemeler sıradışı deformasyon mekanizmaları sayesinde bir çok alanda geleneksel malzemelere göre tercih edilirler. Yüksek mukavemet ve düşük ağırlık prensibi düşünülerek genellikle bal peteği yapılı sandviç yapılar kullanılmaktadır. Daha sonra ökzetik malzemelerin keşfiyle bu malzemelerin deformasyon mekanizmasından ilham alınarak ökzetik sandviç yapılı tasarımlar ortaya çıkmaya başlamıştır. Bu yapılarda ökzetik özellik malzeme ile değil özel tasarlanmış geometri ile sağlanır. Ökzetik yapılar yüksek rijitlik, yüksek mukavemet ve hafiflik sağlamaları nedeniyle geleneksel malzemelere göre daha avantajlı konumdadırlar. Bunların yanında ökzetik malzemeler geleneksel malzemelere göre daha iyi darbe direnci ve daha yüksek enerji sönümleme kabiliyetine sahiptirler. Zor imal edilebilirliği ve yüksek üretim maliyetleri ise dezavantajları olarak görülebilir. Savunma sanayiinde bir yapı üzerindeki patlama ve balistik etkileri incelemek oldukça önemlidir. Testlerin riski ve yüksek maliyeti sebebiyle yapıları sonlu elemanlar analizi ile sanal teste tabi tutmak önem kazanmaktadır. Bu sayede test sayısı azalacak ve maliyetler düşecektir. Bu analizler için Ls-Dyna programı sıklıkla tercih edilmektedir. Patlama olayları, kimyasal enerji depolayarak ani ve kimyasal bir reaksiyon gerçekleşmesi sonucunda ortamda çok yüksek basınç, sıcaklık ve gaz oluşturan çok güçlü reaksiyonlardır. Bu karmaşık olaylar nedeniyle sayısal benzetim modellerinin vereceği sonuçların doğruluğu tahmin edilememektedir. Patlama analizlerini gerçekleştirmek için çeşitli yöntemler mevcuttur. Bu tez kapsamında ConWep yöntemiyle patlama analizleri gerçekleştirilecektir. ConWep patlama yöntemi ve parçacık etkisinin doğruluğunu değerlendirmek amacıyla literatürde yer alan test düzenekleri Ls-Dyna programında oluşturulmuştur. Daha sonra test sonuçları ile sonlu elemanlar modelinden elde ettiğimiz sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yüksek hızlarda çarpışma, balistik girişim, patlama olayları gibi yüksek hızlı deformasyon mekanizması içeren olaylar lineer olmayan ve bilinen teoriler dışında malzeme davranışı sergilerler. Bu nedenle hesaplamalarda klasik malzeme modelleri yetersiz kalmaktadır. Bu kapsamda gerçekleştireceğimiz analizlerde Johnson-Cook malzeme modeli kullanılacaktır. Bu yüksek lisans tezi kapsamında 40 cm x 40 cm x 2 cm boyutlarında bal peteği ve ökzetik çekirdek yapılı sandviç plaklar tasarlanmıştır. İki yapıyı doğru parametrelerle kıyaslayabilmek için kütleleri olabildiğince birbirine yakın olarak belirlenmiştir. Çalışmamızda plak üst yüzey orta noktasından z yönünde 50 cm mesafede belirli kütlede patlayıcı patlatılırken, belirli bir uzaklıktan 1 cm yarıçapında küresel bir cisim hedefe doğru ilk hız verilerek yönlendirilmiştir. Burada hedeflenen, patlama sonucu oluşan basınç dalgasının yapıya daha önce ulaşarak belirli bir deformasyon ve gerilme oluşturması ve daha sonra küresel cismin bu yapıya çarpmasıdır. Bu iki senaryo aynı analiz modeli içerisinde gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre patlama basıncı nedeniyle yapıda gerilme ve deformasyon oluşurken yüksek hızlı küresel cismin çarpma etkisiyle yapı delinmiştir. Her iki yapı için delinme enerjisi ve balistk limit hesaplanarak karşılaştırma yapılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda hemen hemen aynı boyutlara ve kütleye sahip olan yapılardan enerji absorbe kabiliyeti daha iyi olan yapı tespit edilmiştir. Son olarak enerji absorbe yeteneği yüksek olan yapının farklı tasarımları yapılarak tekrar kendi içlerinde bir değerlendirmeye tabi tutulmuştur. Bu analizler sonucunda enerji sönümleme kabiliyeti en yüksek olan tasarım belirlenmiştir.