Dynamic crushing behavior of sandwich panels with bio-inspired cores

Abstract

In the current study, a new approach was shown to develop an innovative loadcarrying and energy absorbing structure which can fulfill the requirements in the fields of automotive, defense and aerospace. Two different topics which have been in great demand in the recent times were combined: sandwich structures and bio-inspiration. Balanus which is a barnacle living along the seashores and on the ships’ surfaces was taken under examination to design a novel sandwich structure core geometry. The designed geometry was manufactured with deep drawing process. The sandwich structures were produced with different face sheets using a pattern to ensure the repeatability of the crushing tests. Firstly, the advantage of the bio-inspired core over the conventional core geometries was shown with a numerical study. Then, the crushing tests were conducted at both quasi-static and dynamic loading rates. Further, the effects of foam filling, confinement, inertia and strain rate sensitivity on the crashworthiness performance of the proposed structure were investigated. In addition to the experimental studies, numerical analyses were also performed using LS-DYNA 971. In the numerical studies, manufacturing process of the core geometry was also modeled to count in the residual stress/strain so that a good proximity was obtained between the experimental and numerical results. Moreover, the penetration and perforation behaviors were inspected. Utility of the proposed geometry where a high resistance is needed against dynamic crushing was demonstrated. Finally, several suggestions were proposed for the future works to elaborate the present study.

Bu çalışmada; otomotiv, savunma ve havacılık-uzay alanlarındaki ihtiyaçları karşılayabilecek yeni bir yük taşıyıcı ve enerji yutucu yapı geliştirmek için farklı bir yaklaşım gösterilmiştir. Son zamanlarda büyük rağbet gören iki farklı konu olan sandviç yapılar ve biyobenzetim birleştirilmiştir. Özgün bir sandviç yapı çekirdek geometrisi tasarlamak amacıyla deniz kıyılarında ve gemi yüzeylerinde yaşayan bir deniz kabuklusu olan balanus inceleme altına alınmıştır. Tasarlanan geometri derin çekme yöntemiyle üretilmiştir. Sandviç yapılar farklı yüzey malzemeleri ile üretilmiş olup ezilme testlerindeki tekrar edilebilirliği garanti altına alabilmek için kalıp kullanılarak üretilmiştir. İlk olarak, biyobenzetim esaslı çekirdeğin alışılagelmiş çekirdek geometrilerine karşı olan avantajı bir nümerik çalışma ile gösterilmiştir. Daha sonra, kuasi-statik ve dinamik yükleme hızlarında ezilme testleri yapılmıştır. Ayrıca; köpük dolgunun, çevresel sınırlandırmanın, geometri kaynaklı ataletin ve şekil değiştirme hassasiyetinin önerilen geometrinin çarpışma dayanıklılığı performansına etkileri araştırılmıştır. Deneysel çalışmalara ek olarak, LS-DYNA 971 kullanılarak nümerik analizler de yapılmıştır. Nümerik çalışmalarda, artık gerilme ve gerinimleri de hesaba katmak için çekirdek geometrinin üretim süreci de modellenmiştir, böylece deneysel ve nümerik sonuçlar arasında yüksek bir yakınlık elde edilmiştir. Bunlara ek olarak, penetrasyon ve perforasyon davranışları üzerine de çalışılmış olup önerilen geometrinin dinamik ezilmelere karşı yüksek direnç gereken yerlerdeki işe yararlılığı ispatlanmıştır. Son olarak, bu çalışmayı detaylandırmak için yapılabilecek gelecek çalışmalar ile ilgili çeşitli öneriler sunulmuştur.