Experimental and Numerical Approaches To Evaluate the Crushing Behavior of Combined Geometry Core Sandwich Structures Against Blast

Abstract

In this study, novel sandwich structures containing combined geometry structures as core materials were designed and developed for blast protection applications. The proposed combined geometries consist of a hemispherical geometry attached seamlessly to a cylindrical segment. Deep drawing method was used to obtain four different types of combined geometries having two different radii from blanks with two different initial thicknesses. The mechanical properties of the blank material were obtained by conducting tensile experiments at quasi-static and high strain rate regimes. Thereafter, crushing and energy absorption behavior of core units were determined by tests at quasi-static and low velocity regimes, experimentally. Before crushing simulations, manufacturing method was simulated to have realistic residual stress/strain and thickness variations of numerical specimens. Having accurate deformation history, crushing experiments were simulated and a good agreement was reached proving the realistic modeling of the manufacturing effects. The effect of heat treatment on the crushing behavior of combined geometry shells was also investigated both experimentally and numerically and there was a good agreement noted. After, cross-shaped sandwich structures of one type of combined geometry were prepared. Static, low velocity and high velocity crushing behavior of sandwiches were investigated. Study on sandwich structures also included confined experiments in order to account for the interaction between the core units and between the core units and surrounding environment; such a case might be a bigger sandwich in which adjacent cores could exert forces to each other. Numerical study was validated by comparing experimental and numerical results of three different loading regimes for sandwiches. Having well-verified numerical models, numerical study was extended to investigate strain rate and inertial effects on sandwich structures by simulations at high crushing velocities. With complete knowledge on crushing and energy absorption of single geometries and sandwiches, behavior of sandwiches under blast was investigated by using ConWep function. Various types were proposed for arrangements of sandwiches to have higher energy absorption and lower transmitted forces to the protected structures.

Bu çalışmada, bileşik geometrili yapıları çekirdek malzemesi olarak kullanan özgün sandviç yapılar patlamaya karşı koruma uygulamaları için tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Önerilen bileşik geometri silindirik bir kesite dikişsiz olarak ekli bir yarıküresel geometriden oluşmaktadır. Derin çekme yöntemi iki farklı yarıçaplı bileşik geometrileri iki farklı ilk kalınlıktaki iş parçasından üretmek amacıyla kullanılmıştır. Bileşik geometrilerin oluşturulduğu iş parçasının mekanik özellikleri kuasi-statik ve yüksek deformasyon hızlarında çekme testleri ile elde edilmiştir. Ardından birim çekirdeklerin ezilme ve enerji emme davranışları statik ve düşük hız rejimlerindeki deneylerle deneysel olarak belirlenmiştir. Ezilmenin nümerik simülasyonlarından önce, nümerik numune kesiti boyunca gerçeğe uygun kalıcı gerilme/şekil değiştirme ve kalınlık dağılımı elde edebilmek için üretim yöntemi modellenmiştir. Hatasız deformasyon tarihçesinin eldesiyle, ezilme deneyleri modellenmiş ve gerçeğe uygun modellemenin sonucunda iyi bir uyum elde edilmiştir. Kombine geometrilerin ezilme davranışlarına ısıl işlemin etkisi de ayrıca deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Sonuçlar oldukça uyumludur. Sonra, artı şeklinde sandviç yapılar seçilen bir bileşik geometri kullanılarak oluşturulmuştur. Sandviç yapılar ile ilgili deneysel çalışma birim çekirdek malzemelerinin kendi arasındaki ve birim çekirdek malzemeleri ile çevresi arasındaki etkileşimi de hesaba katmak amacıyla sınırlandırılmış deneyleri de içermektedir; örneğin daha büyük bir sandviç içerisindeki çekirdekler birbirine kuvvet uygulayabilir. Nümerik çalışma üç yükleme rejiminde sandviçler için de deneysel ve nümerik sonuçları karşılaştırarak gerçeklenmiştir. Doğruluğu kanıtlanmış nümerik modellerin eldesi ile nümerik çalışma şekil değiştirme ve atalet etkilerinin incelenmesi amacıyla sandviç yapılar üzerinde gerçekleştirilen yüksek hızlı ezilme simülasyonlarına genişletilmiştir. Hem bileşik geometriler hem de bunların sandviçlerinin ezilme ve enerji emme davranışları ile ilgili tam bilgilere sahip olunduktan sonra, sandviç yapıların patlama altındaki davranışları, ConWep fonksiyonu kullanılarak, nümerik olarak incelenmiştir. Daha yüksek enerji emme ve daha düşük kuvvet iletimi elde etmek amacıyla sandviç yapıların dizilimi için çeşitli konfigürasyonlar önerilmiştir.