The Investigation of the Static and Dynamic Crushing Behavior of an Energy Absorbing Biomimetic Armor

Abstract

In this study, an innovative thin-walled energy absorbing structure was manufactured following by biomimicry rules and produced from AISI 304L stainless steel sheet material by deep drawing method. Manufacturing process was modelled in two stages to produce the numerical specimen containing residual stress/strain and thickness distribution using commercial software LS-DYNA. The balanus being a sea creature, consisting of an inner core structure and an outer shell structure, is the inspiration of this study. The balanus was compared to the other conventional geometries in terms of the energy absorption capacity and determined as highly advantageous configuration. Quasi-static crushing and drop weight experiments were conducted and modelled numerically. The observations indicated that the carried load by the balanus is greater than the arithmetic total of the carried load by the inner core and the outer shell separately due to the interaction effect. Besides, energy absorbing performance of the balanus improved under dynamic loading since the outer shell confines the inner core during the deformation and developed the energy absorption performance of it while the energy absorbing capacity of the other two decreased. After the end of the experimental studies, the energy absorption partitions between the components of the balanus were studied numerically and it was observed that the energy absorbing capacity of the balanus increases with increasing deformation velocity due to the strain rate sensitivity effect of the material and the differences of energy partition ratio between the two components decreases.

Bu çalışmada, biyomimikri ile özgün ince cidarlı bir enerji absorbe edici bir yapı tasarlanmış ve derin çekme yöntemiyle AISI 304L paslanmaz çelik sac malzemeden imal edilmiştir. Üretim prosesi ticari yazılım LS-DYNA kullanılarak artık stres/gerinim ve kalınlık dağılımı içeren nümerik numuneleri üretmek üzere iki aşamalı olarak modellendi. Bir iç çekirdek yapı ve bir dış kabuk yapıdan oluşan bir deniz canlısı olan balanus, bu çalışmanın ilham kayağıdır. Balanus, enerji absorbe etme kapasitesi açısından diğer konvansiyonel geometrilerle karşılaştırıldı ve oldukça avantajlı bir konfigürasyon olarak tanımlandı. Kuasi-statik ezilme ve düşen ağırlık deneyleri yapıldı ve nümerik olarak modellendi. Gözlemler balanus tarafından taşınan yükün etkileşim etkisi nedeniyle iç çekirdeğin ve dış kabuğun ayrı ayrı taşıdığı yükün aritmetik toplamından daha yüksek olduğunu gösterdi. Ayrıca balanın enerji absorbe etme performansı, diğer ikisinin enerji emme performansı bireysel olarak azalırken dış kabuk iç çekirdeği deformasyon sırasında sınırlandırdığı ve onun enerji absorbe etme performansını geliştirdiği için dinamik yük altında arttı. Deneysel çalışmaların bitmesinin ardından balanın bileşenleri arasındaki enerji emme paylaşımları nümerik olarak incelendi ve malzemenin şekil değiştirme oranı hassasiyet etkisi nedeniyle deformasyon hızının artmasıyla balanın enerji emme kapasitesinin arttığı ve iki bileşen arasındaki enerji paylaşım oranı farklarının azaldığı gözlemlendi.