Ballistic analysis of 3-layer fiber reinforced composites

Year 2024, Volume: 4 Issue: 2, 596 - 612, 31.07.2024

Yalçın Boztoprak , Seval Turgut , Murat Yazıcı , Burak Matyar , Haluk Duga , Mahmut Kayar

https://doi.org/10.61112/jiens.1482808

Abstract

In this study, the ballistic properties of 3-layer designed composite plates with connecting thread in the z direction were numerically examined with the established finite element model. Here, the contributions of connector z-threads to the ballistic properties of composite sheets were examined. When designing composite sheets, epoxy resin was determined as the matrix material, and carbon and aramid fibers were used as reinforcement materials. The sheets were designed in the MSC Digimat program as 3 layers and 4 different sheets with/without connecting thread. The mechanical properties of 3D composite plates designed with the fabric foot fabric knitting model in the MSC Digimat program were taken from the program and used as material models in finite element analyses. Composite material models established using the VUMAT subprogram in the ABAQUS program were defined on the sheets. In order to perform a ballistic analysis, Parabellum 9x19 mm cartridge was preferred for the bullet model. In the analysis, the bullet model was designed as a rigid body, and the comparison of the initial speed of the bullet before it hit the plate and the final speed after it hit was made numerically. As a result of the finite element analyzes solved Dynamically/Explicitly in the ABAQUS program according to the NIJ 0108.01 standard test procedure, the initial and final speed of the bullet, the kinetic energy of the bullet, the energy absorbed by the plates and the displacements in the area where the bullet core contacts the plate were numerically examined. In line with the simulation results presented comparatively, although it was seen that the 3-layer composite plates slowed down the bullet but could not stop it, it was revealed that the connecting z-threads had some positive effects on the performance of the plates.

Keywords

3 layer composite, Ballistic, Finite element analysis, Carbon fiber, Aramid fiber

Ethical Statement

An ethics committee decision is not required.

3 Katmanlı elyaf takviyeli kompozitlerin balistik analizi

Abstract

Bu çalışmada, z yönünde bağlayıcı iplikle birlikte 3 katmanlı tasarlanan kompozit levhaların balistik özellikleri, oluşturulan sonlu elemanlar modeli ile sayısal olarak incelenmiştir. Burada bağlayıcı z-ipliklerin kompozit levhaların balistik özelliklerine katkıları incelenmiştir. Kompozit levhalar tasarlanırken epoksi reçine matris malzemesi olarak belirlenmiş, takviye malzemesi olarak karbon ve aramid elyaflar kullanılmıştır. Levhalar 3 katmanlı olacak şekilde ve bağlayıcı iplik bulunması/bulunmaması durumu ile 4 farklı levha şeklinde MSC Digimat programında tasarlanmıştır. MSC Digimat programında bez ayağı kumaş örgü modeli ile tasarlanan 3 boyutlu kompozit levhaların mekanik özellikleri program üzerinden alınarak sonlu elemanlar analizlerinde malzeme modeli olarak kullanılmıştır. ABAQUS programında VUMAT alt programı kullanılarak oluşturulan kompozit malzeme modelleri levhalara tanımlanmıştır. Balistik bir analiz yapabilmek adına mermi çekirdeği modeli için Parabellum 9x19 mm fişek tercih edilmiştir. Analizlerde mermi modeli rijit cisim olarak tasarlanmış olup merminin levhaya çarpmadan önceki ilk hızı ve çarptıktan sonraki son hızlarının karşılaştırması nümerik olarak yapılmıştır. NIJ 0108.01 standardı test prosedürüne göre ABAQUS programında Dinamik/Eksplisit olarak çözdürülen sonlu elemanlar analizleri sonucunda merminin ilk ve son hızı, merminin kinetik enerjisi, levhaların absorbe ettiği enerji ve mermi çekirdeğinin levhaya temas ettiği bölgedeki deplasmanlar nümerik olarak incelenmiştir. Karşılaştırmalı olarak sunulan simülasyon sonuçları doğrultusunda 3 katmanlı kompozit levhaların mermiyi yavaşlattığı ancak durduramadığı görülmesine rağmen bağlayıcı z-ipliklerin levhaların performanslarına bazı olumlu etkilerinin olduğu ortaya çıkmıştır.

Keywords

3 katmanlı kompozit, Balistik, Sonlu elemanlar analizi, Karbon elyaf, Aramid elyaf

Ethical Statement

Etik kurulu kararı gerekmemektedir.

References

• Bitlisli B, Yazıcı M (2019) Araç zırhlamada kullanılan kompozı̇t malzemelerı̇n balı̇stı̇k performanslarının incelenmesı̇. Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering, 24(1):25–34. https://doi.org/10.17482/uumfd.494262
• Yanen C, Solmaz M (2015) Tabakalı hibrit kompozitlerin bireysel zırh malzemesi olarak üretimi ve balistik performanslarının incelenmesi. El-Cezeri Fen ve Mühendislik Dergisi, 2016(2):351–362. https://doi.org/10.31202/ecjse.67164
• Yazıcı M, Boztoprak Y, Uygun S (2021) Kompozit yüzey plakalı ve alüminyum çekirdekli sandviç levhaların balistik performanslarının sonlu elemanlar analiz yöntemi ile incelenmesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (31):933-942. https://doi.org/10.31590/ejosat.999576
• Hassoon O, Abed M, Oleiwi J, Tarfaoui M (2022) Experimental and numerical investigation of drop weight impact of aramid and UHMWPE reinforced epoxy. J Mech Behav Mater 31:71-82. https://doi.org/10.1515/jmbm-2022-0008
• Muñoz R, Martínez F, Hergueta F, Gálvez C, González J, Lorca L (2015) Ballistic performance of hybrid 3D woven composites: experiments and simulations, Compos Struct 127:141-151, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.03.021
• Hashin Z, Rotem A (1973) A fatigue criterion for fiber-reinforced materials. J Compos Mater 7:448–464.
• Hashin, Z. (1980). Failure criteria for unidirectional fiber composites. J Appl Mech 47:329–334.
• Xin SH, Wen HM (2015) A progressive damage model for fiber reinforced plastic composites subjected to impact loading. Int J Impact Eng 75:40-52. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2014.07.014
• URL (2021) Retrieved December 2, https://tr.wikipedia.org/wiki/9x19mm_Parabellum
• National Institute of Justice (1985) Ballistic Resistant Protective Materials NIJ Standard 0108.01.