Kompozit Yüzey Plakalı ve Alüminyum Çekirdekli Sandviç Levhaların Balistik Performanslarının Sonlu Elemanlar Analiz Yöntemi ile İncelenmesi

Year 2021, Issue: 31, 933 - 942, 31.12.2021

Murat Yazıcı Yalçın Boztoprak Saime Uygun

https://doi.org/10.31590/ejosat.999576

Abstract

Bu çalışmada ön ve arka kısımları kompozit yüzey plakalı sandviç bir levhanın balistik özellikleri sayısal analizler ile incelenmiştir. Tasarlanan balistik koruyucu malzeme ön ve arka plakaları karbon-aramid takviyeli epoksi kompozit malzemeden, orta çekirdek ise yüksek plastik şekil değiştirme özelliği ve hafif olması nedeniyle alüminyum plakadan oluşturulmuştur. Gerçekleştirilen bu tasarımda amaç; kompozit malzemenin enerji sönümleme mekanizmalarını kullanarak ön kompozit plakada mermi enerjisinin düşürülmesi, orta alüminyum plakanın plastik deformasyon ve sürtünme kabiliyetinden yararlanma ve arka kompozit plakada ise merminin nihai enerjisinin yayılarak tamamen yok edilmesi şeklindedir. Öncelikle mermi hareketi, hesaplamalı akışkanlar analizleri (CFD) ile incelenmiştir ve plaka ön yüzüne temas öncesi mermi hızı tespit edilmiştir. Mach sayısına göre değişen direnç katsayısı değerleri incelendiğinde CFD analizleri ile elde edilen sonuçların literatürdeki çalışmalar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Bu çalışmada, kompozit plakalar ile balistik özellikleri artırılmış hibrit sandviç levhanın balistik performansları, NIJ 0108.01 standardı test prosedürüne göre LS DYNA yazılımı ile dinamik/eksplisit analizler gerçekleştirilerek nümerik olarak incelenmiştir. Mermi olarak 9x19 mm 8 gram ağırlığındaki Parabellum FMJ fişek seçilmiş ve farklı mermi hızlarında analizler gerçekleştirilmiştir. Kompozit plaka için malzeme kartı olarak MAT 22 malzeme kartı uygulanırken, hasar modeli olarak MAT59 kartı kullanılmıştır. Merminin herhangi bir deformasyona uğramayıp malzeme üzerinde meydana getirdiği hasarı gözlemlemek amacıyla mermi çekirdeği malzemesi için MAT 20 (MAT_RIGID) malzeme modeli kullanılmış ve çelik malzeme tanımı yapılmıştır. Yapılan simülasyonlar sonucunda tasarlanan kompozit plakalı sandviç panelin NIJ II-A ve NIJ II standardına göre mermi tarafından delinemediği ve balistik koruyucu malzeme olabileceği gösterilmiştir.

Keywords

Sonlu Elemanlar Analizi, Balistik Koruma, Kompozit Malzeme, Sandviç Malzeme

Investigation of Ballistic Performance of Sandwich Sheets with Composite Surface Plate and Aluminum Core by Finite Element Analysis Method

Abstract

In this study, the ballistic properties of a sandwich sheet with composite surface plate on the front and back were investigated by numerical analysis. The designed ballistic protective material front and back plates are made of carbon-aramid reinforced epoxy composite material, and the middle core is made of aluminum plate due to its high plastic deformation and lightweight. The aim of this design is to reduce the bullet energy in the front composite plate by using the energy absorption mechanisms of the composite material, to benefit from the plastic deformation and friction ability of the middle aluminum plate, and to completely destroy the final energy of the bullet in the back composite plate by spreading. First of all, the bullet motion was investigated by computational fluid analysis (CFD) and the velocity of the bullet before contact with the plate front was determined. When the resistance coefficient values varying according to the Mach number were examined, it was seen that the results obtained by CFD analysis were compatible with the studies in the literature. In this study, the ballistic performance of hybrid sandwich plate with enhanced ballistic properties with composite plates was investigated numerically by performing dynamic/explicit analyzes with LS DYNA software according to NIJ 0108.01 standard test procedure. Parabellum FMJ cartridge, 9x19 mm and 8 grams in weight, was chosen as the bullet, and analyzes were carried out at different bullet velocities. While MAT 22 material card was applied as material card for composite plate, MAT59 card was used as damage model. In order to observe the damage caused by the bullet without any deformation on the material, the MAT 20 (MAT_RIGID) material model was used for the bullet material and a steel material definition was made. As a result of the simulations, it has been shown that the designed composite plate sandwich panel cannot be perforated by the bullet according to the NIJ II-A and NIJ II standards and can be a ballistic protective material.

Keywords

Finite Element Analysis, Balistic Protection, Composite Materials, Sandviç Materials

References

• Berk, B., (2014). Finite Element Simulation of Ballistic Impact on Composite Plates. Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 376351.
• Deniz, T., Kılıç, N. ve Yıldırım, R.O. (2002). Balistik Penetrasyon Benzetimlerinde Johnson-Cook Malzeme Modeli Sabitlerinin Etkisinin İncelenmesi. Savunma Teknolojileri Kongresi.
• Korkut, S. (2017). Statik ve Dinamik Yükler Altında Kompozit Plakaların Hasar Durumlarına Karşı Davranışlarının İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 458857.
• Livermore Software Technology Corporation, (2007). LS-DYNA Keyword User’s Manual Version 971.
• Mukasey M.B., Sedgwick J. L. ve Hagy D.W. (2008) Ballistic Resistance of Body Armor NIJ Standard–0101.06, Washington, DC, USA.
• National Institute of Justice. (1985). Ballistic Resistant Protective Materials NIJ Standard 0108.01.
• Park, C.-K., Kan, C.-D., Hollowell, W.T. ve Hill, S.I. (2012). Investigation of Opportunities for Lightweight Vehicles Using Advanced Plastics and Composites. Report No. DOT HS 811 692, Washington, DC: National Highway Traffic Safety Administration.
• Sabah A. (2018). Çelik Tel Örgü Aramid Takviyeli Kompozit Tabaka Üretimi ve Balistik Performansının İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 521245.
• Yanen C. ve Solmaz M.Y. (2016). Tabakalı Hibrit Kompozitlerin Bireysel Zırh Malzemesi Olarak Üretimi Ve Balistik Performanslarının İncelenmesi. El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 2, 351-362.