The investigation of blast response of sandwich panels with bio-inspired cores

Abstract

In this thesis, blast response of sandwich structures with bio-inspired cores having applicable potential for protection against blast loading, balanus, were investigated in detail. The proposed geometry consists of outer shell and inner core which separately manufactured using deep-drawing method. Commonly used blast simulation methods which are pure Lagrangian, Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE), and hybrid (coupled other two approaches) approaches were comparatively investigated as finding their main outstanding features and drawbacks after investigation of blast phenomenon. Calibration study with facesheet of sandwich structure was conducted to demonstrate practically performance of blast simulation methods and tune essential parameters. Well proximity between results was obtained in calibration study. Converge analysis which is especially mandatory in ALE approach was also implemented employing Grid Converge Index (GCI) for selection of mesh density of air and plate in calibration study. Pure Lagrangian approach is conservative approach among the studied blast simulation methods was shown. Direct Pressure Pulse (DPP) experiments were separately conducted for facesheets of sandwich and complete sandwich structures to reveal dynamic performance of them. Equivalent blast loading conditions corresponding to each DPP experiment were found as considering deformation levels of the structures. Therefore, DPP experiment as lab-scale experiment effectively mimicked blast-type loading was revealed. Effect of heat treatment and placement of proposed geometries subjected to blast loading were also examined creating large scaled sandwich structures. Finally, it was demonstrated sandwich structure with balanus cores revealed good blast mitigation performance even at low-scaled distance and would be able to satisfied requirement of defence industry.

Bu tezde, patlama yüküne karşı koruma potansiyeline sahip biyo-benzetim çekirdekli sandviç yapıların patlama karşısındaki davranışı ayrıntılı olarak incelenmiştir. Önerilen geometri, balanus, derin çekme yöntemi kullanılarak ayrı olarak imal edilen bir dış kabuk ve iç çekirdekten oluşmaktadır. Patlama olgusunun detaylı olarak araştırılmasından sonra, yaygın olarak kullanılan patlama modelleme yöntemleri, salt Lagrangian metodu, Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) metodu ve birleşik (diğer iki yaklaşımı birleştiren) yaklaşım, ayırt edici özellikleri ve dezavantajları ortaya koyarak karşılaştırmalı olarak incelendi. Sandviç yapının yüzey tabakası kullanılarak patlama simülasyon yöntemlerinin performansını pratikte göstermek ve modellerle ilgili gerekli parametreleri ayarlamak için kalibrasyon çalışması gerçekleştirildi. Bu çalışmada, sonuçlar arasında oldukça iyi bir yakınlık elde edildi. Kalibrasyon çalışmasındaki hava ve plakanın çözüm ağı yoğunluğunun belirlenmesi için özellikle ALE yaklaşımında zorunlu olan yakınsama analizi, Grid Convergence Index (GCI), uygulandı. Üzerinde çalışılan patlama simülasyon metotları arasında salt Lagrangian yaklaşımının konservatif yaklaşım olduğu bulundu. Ardından, tam sandviç ve sandviç yapıların yüzey levhalarının dinamik performanslarını ortaya çıkarmak için ayrı olarak Doğrudan Basınç Dalgası (DBD) deneyleri yürütüldü. Yapıların deformasyon seviyeleri göz önüne alınarak her DBD deneyine karşılık gelen eşdeğer patlama koşulu bulundu. Böylece, laboratuvar ölçekli deney olarak DBD, patlama tipi yüklemeye etkili bir şekilde benzediği ortaya çıkarıldı. Büyük ölçekli sandviç yapılar oluşturularak, patlama yüküne tabi tutulan geometrilerin ısıl işlem ve sandviç yapı içinde ki yerleşimlerinin etkileri de incelendi. Son olarak, balan çekirdekli sandviç yapının, düşük ölçekli mesafelerde dahi iyi bir patlama yükü hafifletme performansı gösterdiği ve savunma sanayinin ihtiyacını karşılayabileceği açığa çıkarıldı.