Dynamic crushing behaviour of cactus geometry inspired core structure

Abstract

Cactus geometry inspired core structure was manufactured with the fused deposition modelling method by a 3D printer using Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) material filament. The characterization of ABS was made by performing compression tests to take some parameters for numerical models. Numerical preliminary studies were carried out by using the areal density concept and direct-impact Hopkinson pressure bar test method to compare the cactus geometry with the conventional ones in point of the specific energy absorption capacity (SEA). It was understood that from the preliminary work, the cactus inspired structure is intriguing to investigate the dynamic crushing behaviour at least. Quasi-static, drop weight and direct-impact Hopkinson pressure bar tests were conducted to comprehend the energy absorption and crushing behavior in all cases, then to investigate the strain rate and inertia effects on the structure. Implicit and explicit numerical models were made by using LS-DYNA software to validate experiments and to set a precedent for future works. It was seen that the result of numerical models is in harmony with that of experiments excluding the non-fracture structure at the quasi-static implicit model. Moreover, although quasi-static compression gave the structure more stable deformation behavior compared to drop weight impact, higher energy absorption capability was observed on drop-weight tests. In addition, the strain rate effect is more forceful in point of loading carrying capacity compared to the inertia effect despite the fact that it provides the development of buckling and damage formation.

Kaktüs geometrisinden esinlenilmiş çekirdek yapı, Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS) malzeme filamenti kullanılarak 3 boyutlu yazıcı vasıtasıyla birleştirmeli yığma modelleme metodu ile üretildi. ABS, nümerik modeller için bazı parametreleri elde etmek amacıyla basma testleri gerçekleştirilerek karakterize edildi. Nümerik ön çalışmalar, spesifik enerji emilim kapasitesi bakımından kaktüs geometriyi geleneksel olanlarla kıyaslamak amacıyla alansal yoğunluk kavramı ve Hopkinson doğrudan darbeli basınç bar testlerini kullanarak yürütüldü. Ön çalışmadan, kaktüsten ilham alan yapının en azından dinamik ezilme davranışının incelenmesi amacıyla ilgi çekici olduğu anlaşıldı. Yarı-statik, düşen ağırlık ve Hopkinson doğrudan darbeli basınç bar testleri, tüm durumlarda ezilme davranışını ve enerji emilimini kavramak ve daha sonra yapı üzerinde şekil değiştirme hızı ve atalet etkilerini incelemek amacıyla yapılmıştır. Örtük ve açık sayısal modeller, deneyleri doğrulamak ve gelecek çalışmalar için bir emsal oluşturmak için LS-DYNA yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Nümerik modellerin sonucunun, yarı-statik modelde kırılmayan yapı hariç deneyler ile uyum içinde olduğu görülmüştür. Ayrıca, yarı-statik basma yapıya, düşen ağırlık darbesine kıyasla daha kararlı bir deformasyon davranışı vermesine rağmen, düşen ağırlık testlerinde daha yüksek enerji emme kabiliyeti gözlenmiştir. Ek olarak, gerilme hızı etkisinin, burkulma ve hasar oluşumunun gelişmesini sağlamasına rağmen atalet etkisine kıyasla yükleme taşıma kapasitesi açısından daha etkin olduğu görülmüştür.