Experimental and numerical evaluation of the blast-like loading of fiber reinforced polymer composites and aluminum corrugated core composite sandwiches through projectile impact testing using aluminum corrugated projectiles

Abstract

This thesis develops and validates a laboratory scale blast-like testing method that can simulate explosive blast tests in air and under water without using explosives. The study has mainly focused on the shock loading potential of 1050 H14 trapezoidal corrugated core aluminium sandwich structures on E-glass/polyester composite plates and corrugated core composite sandwich structures experimentally, numerically and analytically. The composite plates were modelled using MAT_162 material model in LS-DYNA finite element code. Quasi-static and high strain rate tests were performed to determine the material model parameters of composite and corrugated structure. The resultant parameters were calibrated and validated by comparing the numerical results with the experimental results. The planar shock wave formation and propagation in corrugated core sandwich structures were shown experimentally using a direct impact Split Hopkinson Pressure Bar test set-up. Rigid-perfectly-plastic-locking material model and Hugoniot jump relations revealed the shock loading potential of the tested corrugated core sandwich structures. The shock loading response of composite plates and sandwich structures were investigated by firing the corrugated sandwich projectiles on the targets. These impact tests were also simulated numerically and an analytic model was used to predict the plate deflections. The experimentally, numerically and analytically determined back face deflections were compared with the deflections of the Conwep blast simulations in LS-DYNA. The results have shown that the corrugated core sandwich structures can generate shock loading as in the explosive blast tests and can be used to produce shock loads in laboratory scale experiments.

Bu tez havada ve su altında gerçekleştirilen patlama testlerinin patlayıcı kullanılmadan laboratuvar ölçekli patlama benzeri test metotlarıyla benzetilmesini geliştirir ve doğrular. Çalışma esas olarak 1050 H14 yamuk dalgalı çekirdekli alüminyum sandviç yapıların E-cam/polyester kompozit plakalar ve dalgalı çekirdekli kompozit sandviç yapılar üzerindeki şok yükleme potansiyeline deneysel, nümerik ve analitik olarak odaklanmıştır. Kompozit malzeme LS-DYNA sonlu elemenlar kodundaki MAT_162 malzeme modeli modellenmiştir. Malzeme modelindeki parametrelerin belirlenmesi için yarı statik ve yüksek gerilme hızlarında testler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen parametreler deneysel ve nümerik sonuçlar karşılaştırılarak kalibre edilmiş ve doğrulanmıştır. Dalgalı çekirdekli sandviç yapılarda düzlemsel şok dalgasının oluşumu ve ilerleyişi doğrudan çarpmalı Split Hopkinson Basınç Barı test düzeneği kullanılarak gösterilmiştir. Rijit-mükemmel-plastik malzeme modeli ve Hugoniot gerilim denklemleri test edilmiş dalgalı çekirdekli sandviç yapıların şok yükleme potansiyellerini göstermiştir. Kompozit plakaların ve sandviç yapıların şok yükleme tepkisi, hedeflere dalgalı sandviç yapılar fırlatılarak incelenmiştir. Bu çarpışma testleri numerik olarak simule edilmiş ve plaka sehimleri bir analitik model kullanılarak tahmin edilmiştir. Deneysel, nümerik ve analitik olarak bulunan arka yüzey sehimleri, LS-DYNA Conwep patlama simülasyonlarındaki sehimlerle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar dalgalı çekirdekli sandviç yapıların patlayıcı kullanılan testlerdeki şok yükünü oluşturduğu ve laboratuvar ölçekli deneylerde şok yükü üretici olarak kullanılabileceğini göstermiştir.