Geri Dön

Farklı lif malzemelerinden oluşan çok katmanlı zırhların hesaplamalı balistik analizi

A computational study of ballistic response in multi-layer textile protection systems

PDF İndir

  1. Tez No: 1008631
  2. Yazar: LÜTFULLAH TAHA HALICI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SEHER EKEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez çalışmasında, farklı yüksek performanslı lif malzemelerinden oluşturulan çok katmanlı tekstil zırh yapıların balistik çarpma altındaki dinamik tepkisi hesaplamalı olarak incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı, standartlaştırılmış bir çarpma senaryosu altında farklı serim kombinasyonlarının davranışını aynı sayısal çerçevede karşılaştırmak ve özellikle arka yüz deformasyonu (backface signature, BFS) açısından daha avantajlı tasarım eğilimlerini ortaya koymaktır. Balistik çarpma çok kısa sürede yüksek enerji aktarımı ve yüksek ivmeler içerdiği için, zırh performansı yalnızca çarpıcının yavaşlatılması üzerinden değil; yükün katmanlar arasında ne kadar hızlı paylaşıldığı, gerinim birikiminin yapı içinde nasıl dağıldığı ve arka yüzde oluşan deformasyonun büyüklüğü gibi ölçütlerle birlikte değerlendirilmelidir. Bu nedenle tez boyunca BFS, maksimum normalize gerinim seviyesi, mermi hızının zamana bağlı değişimi ile deplasman ve gerinim zaman geçmişleri birlikte ele alınmış; hem global performans hem de mekanizma düzeyinde yorum üretmek hedeflenmiştir. Modelleme tarafında çarpıcı, mermi benzeri davranış sergileyen rijit bir kütle olarak idealize edilmiştir. Çarpıcı geometrisi dik dairesel silindir (right circular cylinder, RCC) olarak seçilmiş ve çarpma normal doğrultuda tanımlanmıştır. Normal çarpma varsayımı, hızın tek eksende tanımlanmasını sağlayarak kinematik büyüklüklerin yorumunu netleştirmekte; hedef içinde oluşan gerilme dalgalarının ve katmanlar arası etkileşimlerin daha doğrudan incelenmesine imkân vermektedir. Zırh hedefi, Kevlar, Dyneema ve Zylon liflerinden oluşan çok katmanlı bir yapı olarak modellenmiştir. Her katman, modele giren yoğunluk ve elastik/dinamik parametrelerle temsil edilmiş; katmanların sıralanışı ve kombinasyonları değiştirilerek farklı numune tasarımları oluşturulmuştur. Böylece aynı çarpıcı tanımı ve aynı sınır koşulları altında, malzeme türü ile katman sırasının dinamik tepkiye etkisi karşılaştırmalı olarak incelenebilmiştir. Bu yaklaşımın temel amacı, tek bir en güçlü malzeme arayışından çok, serim mimarisinin balistik yanıt üzerindeki etkisini ortaya koymaktır. Bu çalışmanın yöntemsel omurgasını, balistik yükün hedef içinde statik biçimde değil, gerilme dalgaları halinde yayıldığı kabulü oluşturmaktadır. Dalga yayılımı, katmanlar arası yansıma–iletim etkileri ve malzeme özelliklerindeki farklılıklar, yükün zırh kalınlığı boyunca nasıl taşındığını belirleyen temel mekanizmalardır. Bu nedenle serim düzeni yalnızca malzeme seçiminin bir sonucu değil; yük paylaşımının zamanlamasını, gerinimin hangi katmanlarda yoğunlaşacağını ve arka yüz deformasyonunun gelişimini belirleyen doğrudan bir tasarım değişkenidir. Katmanlı lifli yapılarda enerji yayılımı ve dinamik tepki; liflerin çekme altında yük taşıması, katmanlar arası etkileşimler, kayma davranışı ve global deformasyon konisinin oluşumu ile şekillenmektedir. Bu nedenle aynı toplam alan yoğunluğuna sahip iki farklı tasarım, BFS ve gerinim dağılımı bakımından farklı performans gösterebilmektedir. Tezde bu farklar, hız, deplasman ve gerinim zaman geçmişleri üzerinden ve seçilen özet performans ölçütleri ile birlikte değerlendirilmiştir. Hedefin zamana bağlı tepkisi, sonlu farklar yöntemi (finite difference method, FDM) tabanlı bir MATLAB çözümleyicisi ile hesaplanmıştır. Süreklilik denklemleri uzay ve zamanda ayrıklaştırılmış; çözüm, açık zaman integrasyonu mantığında adım adım ilerletilmiştir. FDM'nin tercih edilme nedeni, dalga yayılımı ağırlıklı dinamik problemlerde değişkenlerin zaman içinde düzenli ve kontrollü biçimde güncellenmesine imkân vermesi, parametrik karşılaştırmalar için uygun bir hesaplama altyapısı sunması ve katmanlı yapıların parça parça değişen özelliklerini doğrudan temsil edebilmesidir. Zaman adımı seçiminde Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) kararlılık koşulu esas alınmış; modelde tanımlanan en yüksek dalga yayılım hızına bağlı olarak sayısal çözümün kararlı ve fiziksel olarak anlamlı kalması hedeflenmiştir. Katmanlar arası normal ve kayma yönündeki etkileşimler, eşdeğer ara yüzey rijitlik parametreleri ile modele dahil edilmiş; böylece katmanların birlikte çalışma davranışı ve BFS oluşumu sırasında ortaya çıkan global koni deformasyonu daha gerçekçi biçimde temsil edilmeye çalışılmıştır. Geliştirilen çözümleyici, çarpma boyunca katmanlarda oluşan hız, deplasman ve gerinim zaman geçmişlerini üretmekte; bu alan değişkenleri üzerinden tasarımlar arası kıyas yapılmasına imkân vermektedir. Elde edilen çıktılar, çarpma etkisinin ilk temas bölgesinden başlayarak katmanlara nasıl yayıldığını, hangi serimlerde yükün daha erken ve dengeli dağıldığını ve arka yüzde oluşan deformasyonun hangi dinamik süreçlerle büyüdüğünü göstermektedir. BFS'yi düşük tutabilen tasarımlarda, yükün daha geniş bir alana yayılması ve gerinim birikiminin katmanlar arasında daha dengeli paylaşılması beklenirken; bazı serimlerde daha lokal tepki oluşması arka yüz deformasyonunu artırabilmektedir. Bu bağlamda tez, yalnızca hangi numunenin daha iyi performans verdiğini değil, serim sırasının ve malzeme dağılımının bu sonuca hangi fiziksel mekanizmalar üzerinden katkı yaptığını da yorumlamayı amaçlamaktadır. Sonuç olarak bu tez, farklı lif malzemelerini içeren çok katmanlı tekstil zırhların hesaplamalı karşılaştırılması için sonlu farklar temelli bir altyapı sunmaktadır. Önerilen yaklaşım, özellikle BFS odaklı tasarım değerlendirmelerinde, farklı serim mimarilerinin göreli performanslarını aynı sayısal çerçeve içinde incelemeye imkân vermektedir. Çalışma, mutlak deneysel doğrulamanın yerine geçmeyi değil; erken tasarım aşamasında serim kombinasyonlarını sistematik biçimde elemek, karşılaştırmak ve daha umut verici düzenlemeleri belirlemek için kullanılabilecek sade ve izlenebilir bir yöntem ortaya koymayı hedeflemektedir. Bu yönüyle tez, çok katmanlı lifli zırhların balistik tepkisinin anlaşılmasına ve optimum tasarım arayışına mühendislik açısından uygulanabilir bir hesaplama çerçevesi sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

This thesis presents a computational investigation of the ballistic response of multilayer textile armor systems composed of different high-performance fiber materials. The main objective is to compare alternative stacking sequences under a common and standardized impact scenario and, based on the numerical results, to identify design tendencies that are more favorable in terms of backface signature (BFS). In soft and semi-flexible armor concepts, stopping the threat is not the only criterion that determines protection performance. Even when full perforation does not occur, the armor may still deform significantly on the rear face and create a substantial blunt trauma risk for the protected body or equipment behind it. For this reason, the study treats BFS as the primary performance indicator and evaluates it together with additional response quantities such as maximum normalized strain, projectile velocity evolution, and displacement and strain time histories. The purpose is not only to rank the investigated designs, but also to interpret why certain layups perform better than others in terms of load spreading, internal strain development, and rear-face deformation control. The impact problem considered in the thesis is defined as a normal strike, which enables a clearer interpretation of the kinematics and the through-thickness dynamic response of the layered target. The projectile is idealized as a rigid body with a right circular cylinder (RCC) geometry. This idealization provides a controlled contact condition and allows the effect of the target architecture to be isolated more clearly, since the projectile itself is not assigned a deformable material response in the current formulation. The target is modeled as a four-layer armor structure assembled from three representative high-performance fiber families: Kevlar as an aramid-based material, Dyneema as an ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE/HMPE) material, and Zylon as a PBO-based material. These materials were selected because they represent distinct balances of density, stiffness, and specific mechanical performance, and because they are widely recognized in lightweight protective systems. By changing only the order and combination of these layers while keeping the impact condition unchanged, the thesis directly examines how stacking sequence influences transient response and comparative protection performance. A central premise of the study is that ballistic impact cannot be interpreted as a quasi-static loading event. The interaction duration is very short, the generated accelerations are high, and the structural response develops through rapidly propagating stress waves rather than by slow static redistribution of load. Once the projectile contacts the front face, the applied load is transmitted into the target in the form of transient waves whose propagation characteristics depend on the material properties of the layers. As these waves travel through the thickness, they encounter interfaces between dissimilar materials. At such interfaces, part of the wave may be transmitted while another part may be reflected, depending on the mismatch in mechanical properties and wave impedance. Therefore, the order of the layers is not merely a material arrangement issue; it is a direct design variable that controls when deeper layers become engaged, how uniformly the load is spread, and how the final rear-face deformation develops. This is one of the main reasons why two armor configurations with similar total mass or similar overall thickness may still produce markedly different BFS values and different strain distributions. In multilayer fiber-based armor, the response is governed by several coupled mechanisms. The fibers primarily carry load in tension, while the overall panel response depends on how quickly the impact-induced disturbance spreads to a broader effective area. If the load remains localized near the strike region, the rear-face bulging may become more severe even if the front layers offer significant local resistance. If, on the other hand, the load is distributed more efficiently among the layers and over a wider area, the deformation cone at the rear face may be reduced. In this sense, the performance of a layup cannot be explained solely by the absolute tensile strength or modulus of the individual material. Density, specific stiffness, wave transmission behavior, and the sequence in which the layers are arranged all affect how the impact energy is redistributed over time. The thesis therefore emphasizes comparative interpretation rather than relying on a single material property as the sole design criterion. The numerical framework is specifically constructed to reveal such differences through time-resolved outputs rather than through a single end-state observation. The transient response is computed using a finite difference method (FDM) implemented in MATLAB. In this framework, the governing relations are discretized in space and time, and the solution is advanced incrementally by means of an explicit time integration strategy. The use of FDM is particularly appropriate for the present problem because the dominant physics is wave propagation and short-duration transient interaction. Instead of solving a large global system in a monolithic manner, the method updates the field variables step by step, making it suitable for tracking the temporal evolution of velocity, displacement, and strain during impact. Another practical advantage is that layered systems with piecewise-changing material properties can be represented directly without excessive modeling complexity. The model therefore offers a relatively simple but physically interpretable computational platform for comparing a large number of candidate layups under identical impact conditions. Numerical stability is a critical issue in explicit time-marching schemes. For this reason, the time increment in the present study is selected with reference to the Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) condition so that the numerical solution remains stable and physically meaningful for the highest wave speed defined in the multilayer system. Since the selected armor candidates include materials with different stiffness and density values, the most restrictive wave propagation condition governs the conservative time-step selection. The target is represented as a sequence of regions with layer-dependent material properties, which allows abrupt changes at interfaces to be captured in the numerical model. In order to preserve physically meaningful reflection and transmission behavior, interface consistency is treated carefully. In addition, the interaction between adjacent layers is not ignored. The study incorporates interlayer mechanical coupling through equivalent interface stiffness parameters, including normal interaction and in-plane shear interaction. In the present formulation, the normal interface stiffness is fixed at 2 GPa, while two different shear stiffness levels, 0.02 GPa and 0.1 GPa, are used to represent two different interlayer shear-transfer conditions. This provides a way to examine how stronger or weaker layer-to-layer cooperation influences the global deformation cone and the resulting BFS response. The material modeling adopted in the thesis is intentionally limited to a linear elastic framework. Each layer is represented by its elastic modulus, density, and other dynamic parameters relevant to the finite difference update equations. More advanced mechanisms such as fiber rupture, plasticity, progressive damage accumulation, delamination growth, or full penetration modeling are not explicitly included in the present stage. This choice is deliberate: the main aim of the thesis is to provide a transparent and computationally manageable model that captures the dominant wave-propagation and load-sharing trends across alternative stacking sequences. In other words, the model is not proposed as a full replacement for detailed experimental testing or high-fidelity failure mechanics, but rather as an engineering tool for comparative evaluation and early-stage design screening. This limitation is important because it defines the scope of the conclusions: the results should be interpreted primarily as relative performance trends among the candidate configurations, especially in terms of BFS and internal response development. Within this numerical framework, the thesis produces time histories of projectile velocity, layer displacements, and layer strains for the investigated layups. These outputs allow the impact event to be interpreted dynamically rather than only through a final scalar result. Velocity histories indicate how strongly and how rapidly the target opposes the projectile motion. Displacement histories show how the global deformation cone forms and evolves with time. Strain histories reveal which layers become critically engaged first, where the highest normalized strain values occur, and whether the load is being shared in a balanced or concentrated manner. BFS is evaluated as the key final indicator because it directly links the internal mechanics of the layered structure to the protection requirement on the rear face. The combination of these outputs makes it possible to connect the observed differences in BFS to the underlying transient mechanisms, rather than treating BFS as an isolated number. The comparative interpretation of the results shows that stacking architecture has a strong influence on the ballistic response even when the investigated materials belong to the same class of lightweight protective fibers. Layups that promote earlier engagement of multiple layers, broader distribution of the disturbance, and more balanced strain development tend to produce lower BFS values. In contrast, configurations that create a more localized and delayed response in the deeper layers are more likely to develop larger rear-face deformation. The findings therefore support the general argument that armor performance in multilayer textile systems is an architectural problem as much as it is a material problem. A configuration is not superior simply because it includes a material with a higher modulus or a lower density; rather, superiority emerges from how the chosen materials work together through the thickness during the very short time span of impact. This is precisely why the thesis focuses on stacking sequence as a primary design variable and uses the numerical framework to examine design tendencies instead of relying only on isolated material comparisons. The engineering contribution of the thesis lies in presenting a finite-difference-based computational framework that is simple enough for systematic parametric comparison but still rich enough to capture key physical mechanisms relevant to BFS-oriented armor design. The method enables multiple layups to be analyzed under the same loading assumptions, highlights the role of interlayer load sharing and wave transfer, and provides time-resolved outputs that help explain why one architecture performs better than another. Because the framework is modular, it also offers a basis for future extension. Additional studies may incorporate more advanced constitutive models, experimental calibration, oblique impact cases, different projectile geometries, penetration-capable formulations, or expanded optimization strategies. In its current form, however, the study already provides a useful engineering tool for screening and comparing multilayer textile armor concepts at the early design stage. In conclusion, this thesis demonstrates that the ballistic response of multilayer textile armor systems made of Kevlar, Dyneema, and Zylon can be meaningfully assessed through a finite difference based transient model in MATLAB, with particular emphasis on backface signature. By keeping the impact definition fixed and varying only the material sequence through the thickness, the study shows that stacking order strongly affects the evolution of internal response and the final rear-face deformation. The work therefore contributes not only a set of comparative results for selected candidate layups, but also a methodological perspective: in lightweight armor design, the question is not solely which material is strongest, but how different materials should be arranged so that the entire layered system responds more favorably under impact. In that sense, the thesis offers a practical and traceable computational approach for supporting the search for improved multilayer armor designs and for better understanding the relation between material arrangement, transient mechanics, and BFS performance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    485287

    Development of multi-layer conductive polymer nanocomposites for electromagnetic shielding application

    Elektromanyetik kalkanlama uygulamaları için katmanlı iletken polimer nano kompozitlerinin geliştirilmesi

    FATMA ZEHRA ENGİN SAĞIRLI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

  2. Tez No

    637339

    Contribution of mxene coatings to the performance of nickel based electroactive materials

    Mxene kaplamaların nikel bazlı elektroaktif malzemelerein performansına etkisi

    BERKE KARAMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN

  3. Tez No

    842007

    Bimodal fonksiyonel dokusuz hava filtrelerinin üretimi ve geçirgenlik özelliklerinin karakterizasyonu

    Production of bimodal functional non-woven air filters and characterization of their permeability properties

    ALİ TOPTAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ KILIÇ

  4. Tez No

    513899

    Research on the mechanical and morphological properties of microfibrillar reinforced PET/PP blends at various processing routes

    Mikrolif takviyeli PET/PP harmanlarının farklı proses aşamalarındaki mekanik ve morfolojik özelliklerinin incelenmesi

    İSMİNUR GÖKGÖZ ERKOÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER

  5. Tez No

    465400

    Investigation of swift heavy ion irradiated graphitic surfaces and novel graphene based devices

    Yüksek enerjili ağır iyonlar ile bombardıman edilmiş grafitik yüzeylerin ve yeni grafen cihazlarının araştırılması

    CEM KINCAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ

Geri Dön