The penetration behavior of repeated hemisphere core sandwich structures: An experimental and numerical study

Abstract

In this study, penetration behavior of novel core structure consisting hemispherical and cylindrical parts was investigated. Core units were manufactured with deep drawing method in two thicknesses to have monolithic form without any sort of assembly method or element. Produced specimens were then subjected to penetration tests at low and intermediate velocities against blunt, conical and hemispherical tipped indenters using special fixtures and apparatuses on conventional testing equipment. Effect of heat treatment on penetration behavior was investigated to observe whether residual stresses arise from manufacturing process changes the penetration behavior. Confinement effects were studied experimentally with a special fixture, allowing tested specimen to be radially confined with other core units as in an armor structure. Finally, experimental work was finished by conducting a case study where core units were subjected to spherical projectile impact up to impact velocities of 180 m.s-1 in a composite sandwich structure. Results show that each indenter geometry showed unique deformation characteristics in testing of both core units and both of the core geometries were able to hold a steel spherical projectile with mass of 110 g without full perforation at impact velocity of 180 m.s-1. Details of experimental results were presented in each chapter. Study also included modeling parts where core units were numerically produced with residual stresses and strains and good correlation was noted where thickness was compared with actual measurements on core units. Test conducted on single core structure in as-received and heat-treated condition were also repeated in numerical environment, where numerical study exhibited good correlation on both forcedisplacement curves and deformation of core units with tests. Correlation achieved with experimental study has led into further investigations of strain rate and micro-inertia where behavior of core units was studied at numerical impact velocities of 300 m.s-1. Results show that both strain rate and micro-inertia increase the local maximums and average of force levels. Effect of strain rate and micro-inertia is clearly distinguished for a threshold displacement level where micro-inertia is further dominant on behavior.Bu çalışmada, yarıküre ve silindirik kısımlardan oluşan yeni bir çekirdek yapının delinme davranışı incelenmiştir. Çekirdek yapılar monolitik yapıda olup herhangi bir montaj yöntemi ya da elemanı olmadan derin çekme metodu ile iki farklı kalınlıkta üretilmiştir. Üretilen numuneler daha sonra düz, konik ve yarıküresel uçlu delicilerle konvansiyonel test ekipmanları ve özel fikstürler kullanılarak düşük ve orta hızlarda delinme testlerine maruz bırakılmıştır. Üretim metodundan gelen kalıntı gerilme ve birim şekil değştirmelerin delinme davranışına etkilerinin olup olmadığı da ısıl işlemin delinme davranışına etkileri ile araştırılmıştır. Sınırlandırma şartlarının delinme davranışına etkisi de özel bir fikstür yardımıyla deneysel olarak incelenmiş ve test edilen numunenin bir zırh yapısındaki gibi çekirdek yapılarla etrafının radyal olarak sarılması sağlanmıştır. Son olarak deneysel çalışma bir vaka çalışması ile tamamlanmış ve çekirdek yapılar kompozit bir sandviç yapı içerisinde 180 m.s-1 çarpma hızlarına kadar küresel projektil çarpmasına maruz bırakılmıştır. Sonuçlar her delici geometrisinin her çekirdek yapı için kendine has deformasyon karakteristiğini gösterdiğini ve iki çekirdek geometrisinin de 110 g ağırlıklı küresel projektili 180 m.s-1 çarpma hızlarına kadar tam delinme olmaksızın tutabildiğini göstermiştir. Deneysel sonuçlar her bölümde sunulmuştur. Çalışma ayrıca modelleme çalışmalarında da çekirdek yapıların kalıntı gerilme ve birim şekil değiştirmeler ile nümerik olarak modellenmesini içermiş, kalınlık değerlerinde gerçek ölçümlerle uyum yakalanmıştır. Üretildiği gibi ve ısıl işlemli tekli çekirdek yapıda tamamlanan testler nümerik ortamda da tekrarlanmış, nümerik sonuçlarda hem kuvvet-yer değiştirme hem de hasar şekillerinde deneysel çalışmayla uyum görülmüştür. Elde edilen bu uyum saesinde ileri araştırmalarla delinme davranışıdaki birim şekil değiştirme ve mikro-atalet etkileri de 300 m.s-1 nümerik çarpma hızlarında incelenmiştir. Sonuçlar hem birim şekil değiştirme hızının hem de mikro ataletin lokal ve ortalama kuvvet değerlerini arttırdığını ortaya koymuştur. Birim şekil değiştirme hızı ve mikro-atalet etkilerinin farkı sınır bir yer değiştirme değerinden sonra ayrıştırılır hale gelmiş ve mikro-atalet etkilerinin baskın olduğu görülmüştür.