Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Anabilim Dalı

2015

A numerical study on the impact behavior of thermoplastic plates

Termoplastik levhaların darbe davranışının nümerik olarak incelenmesi

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 405058

Tezi Bul
Özet:

Bu tez kapsamında, sabit bir hıza sahip olan vurucu cismin, polikarbonat ve akrilikten yapılmış levhalara çarptırılarak; levhaların dinamik yükler altındaki davranışı incelenmek istenmiştir. Bu darbe yükü altındaki levhaların davranışları, farklı kalınlıkta ve değişen darbe yerlerine bağlı olarak incelenmiştir. Levha kalınlıkları 1.4, 1.9 ve 2.4 mm olarak seçilmiştir. Ayrıca darbe yerleri levhanın merkezinden başlayarak 20 mm aralıklarla dış kenara doğru yapılmıştır. Yani vurucu cisim levhanın merkezine, merkezden 20 mm mesafeye ve aynı şekilde 40 mm merkezden uzaklığa olmak üzere darbe analizi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, farklı kalınlıklardaki levhalarda ve farklı darbe noktalarındaki davranışlar birbirleriyle kıyaslanmıştır. Vurucu eleman olarak 7850 kg/m3 yoğunluğa sahip olan çelik bilye kullanılmıştır ve bu malzemenin özellikleri Ansys kütüphanesinden alınmıştır. Analize başlamadan önce, ilk olarak polikarbonat ve PMMA malzemeleri ile yapılmış olan darbe çalışmaları incelenmiştir ve bu yönde malzemeleri modelleyip çalışma yapılmıştır. Bu çarpışma çalışması için "Lagrange" methodunu kullanarak analiz yapılması uygun görülmüştür. Ayrıca sünek malzemeler için daha çok kullanılan von Mises akma kriterine gore polikarbonat modellenmiştir. Fakat PMMA sünek deformasyonun yanı sıra oda koşullarında gevrek kopma gibi bir özellik gösterdiğinden Ansys kütüphanesinde malzemenin failure kriterlerini atarken bu gevreklik özelliğine uyum gösteren 'the Drucker – Prager' malzeme modeli seçilmiştir. Polikarbonat ve PMMA hem elastik hem de plastik davranış gösteren malzeme tipleridir. Ancak bu özelliklerinin dışında ayrıca viskoelastik özelliğe de sahiptirler. Deneysel yapılan çalışmalarda anlaşılmış ki yüksek gerinim oranlarında malzemenin mukavemeti sonsuz biçimde artma göstermez. Bu sebepten ötürü, viskoz özellik ihmal edilirken yüksek gerinim oranlarında makul bir seçim yapılarak malzemenin sünekliliğini koruyaracak şekilde plastisite ve diğer failure kriterleri atanmıştır. Bu yüzden polikarbonat ve PMMA gibi polimerler bilgisayar üzerinde analiz programı kullanırken, örneğin Abaqus, Autodyn gibi, yalnızca elasto-plastik davranışlarına bağlı olarak malzeme modellemesi yapıldığı literatürde görülmüştür. Aynı şekilde bu çalışmada da viskoz özellik ihmal edilmiştir. Polikarbonat ve PMMA'dan yapılmış levhalar 90x90 mm boyutlarında kare plaka olarak tasarlanmıştır. Farklı kalınlıklarda üretilmiş bu levhalara çelik bilye 140 m/s hızla fırlatılmıştır. Polikarbonat ve PMMA malzemelerinden yapılmış olan tüm farklı kalınlıktaki levhalarda ve aynı zamanda üç farklı darbe noktasında yalnızca 140 m/s hızında çelik bilye fırlatılmıştır. Yani bu hız değeri tüm analizlerde sabit kalmıştır. Darbe noktaları levhanın merkezi, 20 ve 40 mm merkezden uzaklıkta olacak şekilde ayarlanmıştır. Kullanılan levhalar dört kenardan ankastre olarak mesnetlenmiştir. Fırlatılan çelik bilyenin çapı 6.98 mm kadardır. Çeliğin yoğunluk değerinden faydalanılarak kütlesi 0.00139 kg olarak bulunmuştur. Bu bilgiler ışığında cismimizin kinetik enerjisi 13.693 joule olarak hesaplanmıştır. Yerçekimi dikkate alınmadığından, levhalarla ve çarpan çelik bilye arasındaki ilk mesafe sonuca etki etmeyeceği düşünülmüştür. Malzeme özellikleri atanırken polikarbonat için "Bilinear Kinematic Hardening" plastisite özelliği seçilmiştir. Buna ilaveten polikarbonat sünek bir malzeme olduğundan dolayı failure kriteri olarak "plastic strain failure" seçilmiştir. PMMA malzemesini modellerken ise, bu malzeme oda koşullarında gevrek kopma ve sünek deformasyon gösterdiği için iki farklı failure kriteri kombin yapılarak modellenmiştir. Bu kriterler "tensile failure" ve "ductile failure" şeklindedir. Bu tez çalışmasında, maksimum von Mises gerilimi, soğurulan enerji, maksimum deformasyon, maksimum plastik gerinim ve maksimum shear gerilmeleri bulunmuştur. Daha sonra bu sonuçlar farklı kalınlıklarda ve değişen darbe yerlerinde birbiriyle kıyas edilmiştir. Hem polikarbonat hem de PMMA malzemelerinden yapılmış levhalarda, levha kalınlığı arttıkça beklenildiği üzere soğurulan enerjinin de arttığı görülmüştür. 1.9 ve 2.4 mm kalınlıktaki polikarbonat levhalarda parçalanmanın görülmediği, yalnızca plastik deformasyonun meydana geldiği ancak PMMA ile yapılan çalışmalarda tüm kalınlıklarda çelik bilyenin levhayı parçalayıp geçtiği görüldü. Bu sonuç beklenen bir durumdu çünkü PMMA'nın darbe dayanımı polikarbonata göre daha düşüktür. Bu yüzden polikarbonat levhaların birçoğunda parçalanmanın meydana gelmemesi daha muhtemeldir. Aynı şekilde birçok farklı kalınlıktaki polikarbonat levhaların hemen hemen hiçbirinde parçalanma olayı meydana gelmediği analizler sonucunda kolaylıkla görülmüştür. Bu yüzdendir ki soğurulan enerji tüm kalınlıklarda polikarbonat levhalarda daha yüksek mertebelerdedir. Bu durumdan da anlaşılıyor ki, PMMA levhalarda kinetik enerji iç enerjiye tam olarak dönüşmemiş olduğu anlaşılmıştır. Bu yüzden de parçalanma olayı meydana gelmektedir. Bunun haricinde her iki malzeme tipindeki levhalarda plastik gerinim değeri levha kalınlığı arttıkça azalmıştır. Bu durum beklenen bir olaydır. Çünkü levhanın kalınlığı arttıkça daha mukavemetli bir hal alacaktır ve deforme olması daha zor olacaktır. Diğer yandan ankastre kenara yaklaştıkça her iki levhada gerilme değerleri yüksek çıkmıştır ki bu da beklenen bir durumdur. Bu çalışmada sonuç olarak, genel olarak farklı kalınlık ve darbe yerlerine bağlı olarak plastik deformasyon ve parçalanma olayları gözlemlenmiştir. Yapılan tüm çalışmalarda gözlemlenildiği üzere polikarbonat malzemesinin PMMA malzemesine göre çok daha yüksek darbe dayanımı olduğu tespit edilmiştir. Aynı şekilde literatürde de yapılmış olan benzer çalışmalarda çıkan sonuçlara paralel sonuçların elde edildiği bulunmuştur. Kullanılmış olan bu iki farklı malzemenin kimyasal yapıları da incelenmiş olup, beklenilen bir sonucun alındığı gözlemlenmiştir. Malzemelerin kimyasal yapıları incelenmiş ve polikarbonat malzemesinin kimyasal bağ yapısı çok daha yüksek mertebede olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlarda yine bu duruma paralel olarak çıkmıştır. Ayrıca tez çalışmasından önce, tez kapsamında kullanılan polikarbonat malzemesi ile yapılmış olan akademik bir çalışmanın doğrulama analizi yapılmıştır. Bu doğrulama çalışması başarıyla yapıldıktan sonra tez çalışmasına geçilmiştir.

Summary:

In this thesis, dynamic response of exposure to a certain velocity impact of polycarbonate and polymethylemethacrylate plates were investigated depending on increasing thickness of plates and impacts at locations center of the plate, 20 and 40 mm were carried out by a spherical steel projectile using finite element and compare to each target plate behavior. First of all, it was investigated that impact events for polycarbonate and polymethylemethacrylate armor plates. It was conducted that explicit analyses later in this way. Analysis methods for impact problem are searched Lagrangian formulation is chosen for this study. Also, von Mises criteria is used for pc plates in this thesis. PMMA was assumed to obey the Drucker – Prager material model in the present study. Polycarbonate and PMMA materials are shown elastic- plastic behavior. Further, these polymer types are also shown viscoelastic behavior. However, it is realized that at extremely high strain rates, the strength of the material does not increase indefinitely. For these reasons, a reasonable choice was made to preserve the measured ductility while neglecting viscous effects at very high strain rates. That is, it was ignored viscoelastic behavior in this thesis. Thus, polymers like pc and PMMA are only modeled with elasic-plastic properties when it is used analysis program which Abaqus, Autodyn etc. Three different thickness of plate and three different impact locations are taken consideration in this study. Plate thickness was selected as 1.4, 1.9 and 2.4 mm. In addition, the plates were modeled using 90×90 mm. Thin square polycarbonate and PMMA plates was subjected to a spherical projectile impact at a velocity of 140 m/s. Subsequent impacts were made at plate center, 20 and 40 mm of the plate depending on changing plate thickness. The target plate outer edge was constrained for all degrees of freedom. A spherical steel projectile of 6.98 mm diameter was launched against the square plate and also the mass of projectile was calculated as 0.00139 kg. According to this information, kinetic energy of the projectile was computed as 13.693 joule. The distance between target plate and projectile doesn't have any effect on the results, because gravitational force is neglected. When setting the material properties, "Bilinear Kinematic Hardening" model is used from the Ansys Library. Since polycarbonate is a ductile material, it is selected that plastic strain failure criteria for pc. PMMA is shown brittle fracture and ductile deformation at room temperature. Therefore, two failure criteria are combined which tensile failure and ductile failure during numerical modeling. Plastic strain, von Mises stresses, maximum shear stresses, deformation of plate and energy absorption histories were recorded in this study. As increasing plate thickness, energy absorption quantity is increased as predicted for both polycarbonate and PMMA plates. At 1.9 and 2.4 mm thick, there was no fragmentation for pc plates. However, it was observed that perforated event at all plate thickness for PMMA. It is expected that this phenomenon because PMMA has less impact resistance than pc material. Also, all energy absorption values are seen to be higher for pc than PMMA material at all plate thickness. That is, kinetic energy was not completely transformed into internal energy and therefore it was occurred that perforated event during impact loading for PMMA target plate. Furthermore, maximum plastic strain values were decreased while thickness of plate was increased. This situation was expected as well because resistance of plate is increased when the plate thickness is higher. On the other hand, it is occurred that higher stress values at close to fixed edge than other impact locations for both target material since square plate edges are constraint, as expected. It is observed that plastic deformation and fragmentation events with different plate thickness and impact points in this thesis. Furthermore, it was conducted that a validation analysis before thesis study. It can be said that this verification study is similar with thesis thesis. It was used that a circular polycarbonate plate. Once it was accomplished the validation analysis, it was implemented thesis study.