Geri Dön

Investigation of impact behavior of polycarbonate panels under projectile impact loading

Polikarbonat panellerin parçacık çarpması etkisi altında davranışının araştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 887712
  2. Yazar: FEHMİ MULLAOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 107

Özet

Bu tez çalışmasında, polikarbonat panellere sabit hızda fırlatılan bir çelik bilyenin neden olduğu hasarın kapsamlı bir incelemesini sunmaktadır. Bu kapsamda parçacık fırlatma testleri panel merkezine ve panel merkezinden yatayda 160 mm uzaklıktaki noktalara yapılmıştır. Polikarbonat panel kalınlıkları 2.1 mm olarak belirlenmiştir. Bununla birlikte tüm polikarbonat paneller 500 x 500 mm2 olarak ölçülendirilmiştir. Düz panellerin yanı sıra eğrilikli paneller üzerine de parçacık fırlatma test çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Eğrilikli paneller 1000 mm ve 2000 mm yarıçapına sahip olmak üzere tasarımları gerçekleştirilmiş olup, bu belirlenen ölçüler doğrultusunda ürettirilmiştir. Kullanılan polikarbonat malzemesinin ticari ismi Lexan 9030'dur. Tüm panel tasarımları Catia programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analiz için gerekli olan malzeme özellikleri, split Hopkinson basınç çubuğu testi, statik çekme testi ve statik basma testi gibi çeşitli testlerle titizlikle belirlenmiştir. Statik çekme ve basma testleri İTÜ Uçak ve Uzay Mühendisliği Kompozit Yapı Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Çekme ve basma testleri sırasıyla ASTM D638 ve ASTM D695 standartlarına göre gerçekleştirilmiştir. Bu standartlara göre statik çekme testleri 5 mm/dk olarak yapılmıştır. Statik basma testleri ise 1.3 mm/dk hızında gerçekleştirilmiştir. Yüksek gerinim hızlarındaki malzeme özelliğini tayin etmek için split Hopkinson bar testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testler İTÜ Makine Mühendisliği Fakültesi'nde gerçekleştirilmiştir. Bu test 2000 s-1 gerinim hızında gerçekleştirilmiştir. Gerçek hava araçlarının herhangi bir parça çarpması sonucu hasar oluşma durumu senaryolarını yansıtmak amacıyla yüksek hızlı çarpma deneyleri, sofistike bir basınç tabanlı parçacık fırlatma test düzeneği kullanılarak özenle gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda farklı yollar ile elde edilen malzeme özelliklerinin parçacık çarpması sonucunda panel üzerinde meydana gelen hasar mekanizmasını nasıl etkilediği nümerik olarak incelenmiştir ve elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. Bu doktora tezinin önemli çalışma başlıklarından bir diğeri ise, panel eğriliklerinin ve çarpmanın etki noktalarının deformasyon üzerindeki etkilerini ayrıntılı bir şekilde incelemek olmuştur. Bunlara ek olarak, sınır koşullarının etkisi nümerik olarak incelenmiştir ve elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Deney düzeneği kurulumu, panelin yüzeyinde çeşitli noktalarda parçacık fırlatıldıktan sonraki etkiyi doğru bir biçimde incelemek için tasarlanmıştır. Test düzeneği genel olarak panelleri tutan çerçeveler, çerçeveleri belirlenen isterler doğrultusunda hareketine olanak sağlayan raylı mekanizma, çerçeveleri panel üzerinde sabitleyen işkenceler, parçacığın doğru ve hizalı biçimde fırlatılmasına olanak sağlayan namlu, namluyu sabit tutan ayaklı mekanizma, sabot tutucu, hava akışını ayarlayan valf, basınç tankı, kompresör ve emniyet kutusundan oluşmaktadır. Tez kapsamındaki çalışmalara başlamadan önce kalibrasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Öncelikle fırlatılan çelik bilyenin farklı yollarla hız tespiti gerçekleştirilmiştir. Bunu namlu çıkışına bir kronograf cihazı yerleştirerek ve hedef paneller üzerine ivme ölçerler yardımıyla yapılmıştır. Hem kronograf hem de ivmeölçer ile alınan değerler aynı olduğu zaman hız doğrulama çalışması tamamlanmıştır. Test kapsamında fırlatılacak olan parçacığı hedeflenen 100 m/s hıza ulaşması için gerekli hava basıncını tespit etme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. İstenilen parçacık fırlatma hızına ulaşıldıktan sonra tüm test çalışmaları 17 Bar hava basıncında yapılmıştır. Daha sonra panel üzerinde belirlenen noktalara parçacığı fırlatabilmek için birçok atış gerçekleştirilmiştir. Bu fırlatma testlerini yaparken namlunun yerden yüksekliği ve aynı zamanda yatay doğrultuda doğru biçimde konumlandırılması yapılmıştır. Bununla birlikte hedef panelin yerleştirildiği çerçevenin konumu isterler doğrultusunda ileri-geri ve sağa-sola hareket ettirilerek fırlatılan parçacığın doğru noktaya çarpması sağlanmıştır. Buna ek olarak, çelik bilyenin namlu içerisinde stabil biçimde hareketine olanak sağlaması için sabot üretimi yapılmıştır. Uygun malzeme seçimi için kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Çalışmanın başında Delrin malzemesinden sabot üretimleri gerçekleştirilmiştir. Ancak bu malzeme ile üretilen sabotlar ile yapılan fırlatma test çalışmalarında tamamen parçalanmış olup, çelik bilyenin hedeften oldukça sapmasına sebebiyet vermiştir. Bu sebeple malzeme araştırmasına devam edilmiş olup, Kestamid malzemesinden sabot üretimleri gerçekleştirilmiştir. Yapısı gereği sıkı dokulu olması ve darbe direncinin yüksek olmasından dolayı yapılan fırlatma testleri sonrasında sabotlar parçalanmamış olup, çelik bilye istenilen hedeflenen noktalara ulaşmıştır. Sabot üretimleri çelik bilyenin çapına uygun toleranslarda üretilmiştir. Sabot üretim işlemleri benzer şekilde İTÜ Uçak ve Uzay Mühendisliği Fakültesi Kompozit Yapı Laboratuvarı'nda ve 3 eksenli CNC tezgâh yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilecek olan nümerik çalışmaların bulgularının geçerliliğini sağlamak ve güvenilirliğini sağlamak için, literatürde bulunan bir çalışmanın ayrıntılı bir incelemesi yapılmıştır. Bu çalışma kapsamında polikarbonat malzemesinden yapılmış olan dairesel plakalara parçacık fırlatılmış olup panel üzerinde meydana gelen gerinim ve absorbe edilen enerji değerleri ölçülmüştür. Nümerik olarak gerçekleştirilmiş olan bu çalışma doğrulanmıştır. Daha sonra tez kapsamındaki koşullara göre nümerik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Polikarbonat panellerin darbe etki davranışının ayrıntılı bir analizi, LS-DYNA programını kullanarak gelişmiş sayısal simülasyonlar aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Sınır koşullarının etkisi, sayısal simülasyonlar aracılığıyla incelenmiştir ve temel mekanizmaların kapsamlı bir anlayışına olanak tanımıştır. Plastik deformasyonlar, von Mises gerilmeleri, panel üzerinde meydana gelen göçükler ve enerji emilimi gibi temel parametreler dikkatlice ölçülmüş ve analiz edilmiştir. Böylece polikarbonat panellerin sergilediği karmaşık deformasyon davranışı daha iyi bir şekilde anlaşılmıştır. Bu kapsamlı çalışmanın bulguları, polikarbonat panellerin deformasyon davranışı hakkında önemli içgörüler sunmuştur ve özellikle bunların gerinim hız hassasiyeti vurgulamıştır. Bunun için statik çekme testleri, static basma testleri ve split Hopkinson basınç testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerden elde edilen veriler ile nümerik çalışmalarda malzeme modeli oluştururken malzeme özellikleri kullanılmıştır. Buna bağlı olarak gerçekleştirilen fırlatma test sonuçlarına olan etkisi ortaya koyulmuştur. Ayrıca, panel eğrilerinin ve sınır koşullarının deformasyon davranışını şekillendirmede kilit rol oynadığı tespit edilmiştir. Böylece polikarbonat paneller içeren yapıların tasarımında bu faktörlerin dikkate alınmasının kritik önemi ortaya koyulmuştur. Bu etki davranışı ve deformasyon karakteristiklerinin ayrıntılı bir anlayışı, gerçek dünya uygulamalarında optimal yapısal performans ve güvenlik sağlamak için hayati öneme sahiptir. Sonuç olarak, bu çalışma, darbe mekaniği ve yapısal mühendislik alanında önemli bir katkı sunmaktadır, polikarbonat panellerin projektil çarpma yüklemesi altındaki davranışı hakkında değerli içgörüler sağlamaktadır. Deneysel araştırmaları gelişmiş sayısal simülasyonlarla birleştirerek, bu araştırma, malzeme özellikleri, panel geometrisi ve sınır koşulları arasındaki karmaşık etkileşimin kapsamlı bir bakış açısı sunmuştur ve polikarbonat malzemesini içeren yapılar için daha etkili tasarım uygulamaları için ışık tutmuştur.

Özet (Çeviri)

This study embarks on a comprehensive exploration of the damage inflicted upon polycarbonate panels by a spherical steel projectile, employing a combination of numerical simulations and experimental investigations. Within the scope of this study, projectile impact tests are launched to the panel center and 160 mm away from the panel. All panel thickness is determined as 2.1 mm. In addition, all polycarbonate panels are measured as 500 x 500 mm2. Single curved panels were designed to have a radius of 1000 mm and 2000 mm and were produced in accordance with these determined dimensions. The trade name of the polycarbonate material used is Lexan 9030. Furthermore, all panel designs were made using Catia. The material properties crucial for the analysis are meticulously acquired through a series of tests, including the split Hopkinson pressure bar test (SHBT), static tensile test (STT), and static compression test (SCT). Static tensile and compression tests were carried out at ITU Aerospace Engineering Composite Structure Laboratory. Tensile and compression tests were performed according to ASTM D638 and ASTM D695 standards, respectively. According to these standards, static tensile tests were performed at 5 mm/min. Static compression tests were carried out at a speed of 1.3 mm/min. Split Hopkinson bar tests were performed to determine the material properties at high strain rates. These tests were carried out at ITU Faculty of Mechanical Engineering. This test was performed at a strain rate of 2000 s-1. In order to replicate real-world scenarios, high-velocity impact experiments are meticulously conducted using a sophisticated pressure-based projectile launching system. An integral aspect of this study is the meticulous investigation into how panel curvatures and impact locations affect the resultant deformation. Experimental setups are meticulously designed to search into the effects of impact at various points on the panel's surface, encompassing both the central region and the periphery. The test setup is generally composed of frames holding the panels, a rail mechanism that allows the frames to move in line with the specified requirements, clamps that fix the frames on the panel, a barrel that allows the particle to be thrown accurately and aligned, a footed mechanism that keeps the barrel fixed, a sabot holder, a valve that adjusts the air flow, a pressure tank. It consists of a compressor and safety box. Calibration studies were carried out before starting the work within the scope of the thesis. First of all, the speed of the thrown steel ball was determined by different methods. This was done by placing a chronograph device at the muzzle exit and with the help of accelerometers on the target panels. The speed verification study is completed when the values taken by both the chronograph and the accelerometer are the same. Within the scope of the test, studies were carried out to determine the air pressure required for the particle to be launched to reach the targeted speed of 100 m/s. After the desired particle ejection speed was reached, all test runs were carried out at 17 Bar air pressure. Then, many shots were made to throw the particles at the determined points on the panel. While performing these throwing tests, the height of the barrel from the ground and also its correct positioning in the horizontal direction were made. In addition, the position of the frame on which the target panel was placed was moved forward-backward and left-right in line with the requirements, ensuring that the thrown particle hit the right point. In addition, sabots were produced to allow the steel ball to move stably within the barrel. Extensive research was carried out to select the appropriate material. At the beginning of the study, sabots were produced from Delrin material. However, in the throwing test studies carried out with sabots produced with this material, it was completely shattered, causing the steel ball to deviate significantly from the target. For this reason, material research continued, and sabots were produced from Kestamid material. Due to its tight texture and high impact resistance, the sabots did not shatter after the launch tests and the steel ball reached the desired targeted points. Sabot productions are produced with tolerances appropriate to the diameter of the steel ball. Sabot production processes were similarly carried out in the ITU Faculty of Aeronautical and Astronautical Engineering Composite Structure Laboratory with the help of a 3-axis CNC machine. To validate the findings and ensure their reliability, a thorough examination of the impact response of polycarbonate plates, as documented in existing literature, is conducted. Subsequently, a meticulous comparison with the obtained results is carried out to ascertain the accuracy and consistency of the findings. Moreover, a detailed analysis of the impact behavior of polycarbonate panels is conducted through advanced numerical simulations utilizing LS-DYNA. The influence of boundary conditions on the impact response is also scrutinized through numerical simulations, enabling a comprehensive understanding of the underlying mechanisms. Key parameters such as plastic strains, von Mises stresses, dent depth, and energy absorption are meticulously measured and analyzed to elucidate the intricate deformation behavior exhibited by polycarbonate panels. The findings of this extensive study reveal significant insights into the deformation behavior of polycarbonate panels, notably highlighting their strain rate dependence. For this purpose, static tensile tests, static compression tests and split Hopkinson compression tests were carried out. Material properties were used when creating a material model in numerical studies with the data obtained from these tests. Accordingly, its effect on the launch test results has been revealed. Additionally, it is discerned that panel curvatures and boundary conditions play pivotal roles in shaping the deformation behavior, underscoring the critical importance of considering these factors in the design and engineering of structures utilizing polycarbonate panels, such as canopies. Such a nuanced understanding of the impact behavior and deformation characteristics is essential for ensuring optimal structural performance and safety in real-world applications. In conclusion, this study represents a significant contribution to the field of impact mechanics and structural engineering, providing valuable insights into the behavior of polycarbonate panels under projectile impact loading. By integrating experimental investigations with advanced numerical simulations, this research offers a holistic perspective on the complex interplay between material properties, panel geometry, and boundary conditions, thereby informing more effective design practices for structures incorporating polycarbonate panels.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    550195

    Kuş çarpmasına maruz helikopter kanopilerinin yapısal davranışı

    Structural behavior of helicopter canopies subjected to bird strike

    MERİÇ KAHVECİOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU

  2. Tez No

    617716

    Bazı cam ve plastik esaslı şeffaf malzemelerin katı parçacık erozyon performansların incelenmesi

    Investigation on the solid particle erosion performance of some glass and polymeric transparetn materials

    MOHD HUSSAIN DANESH

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖMER NECATİ CORA

  3. Tez No

    822813

    The investigation of the dynamic compression characteristics of a layered glass system

    Katmanlı bir cam sisteminin dinamik basma karakteristiklerinin incelenmesi

    BURAK AĞIRDICI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER TAŞDEMİRCİ

  4. Tez No

    363533

    Bisfenol A'nın fotokimyasal ileri oksidasyon prosesleri ile arıtımında toksisite ve östrojenik aktivite değişimleri

    Toxicity and estrogenic activity changes during treatment of bisphenol A by photochemical advanced oxidation processes

    DUYGU DURSUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUĞBA ÖLMEZ HANCI

  5. Tez No

    493626

    Betonarme kolonlara yatay olarak uygulanan çarpışma yüklemesinin lineer olmayan sonlu elemanlar yöntemi ile analizi

    Investigation of impact behavior of reinforced concrete column using with non-linear finite element method

    WAHEEDULLAH BARMAKI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜR ANIL

Geri Dön