Development and design of closed-cell aluminum foam-based lightweight sandwich structures for blast protection

Abstract

Alüminyum köpük içeren hafif sandviç yapıların patlama performansı ve enerji emebilme kabiliyeti, yüzey ve ara malzemelerin sistemin patlamaya karşı verdiği tepkiye etkisi, hem deneysel hem de sayısal teknikler kullanılarak incelenmiştir. Split Hopkinson Basınç Barı (SHBB)Test Metodu sandviç yapının öğelerinin yüksek hızda mekanik özelliklerini karakterize etmek için kullanılmıştır. Bir yüksek hızda deformasyon cihazı olan SHBB, patlama yükünü laboratuar koşullarında başarı ile oluşturabilmektedir. Kullanılan SHBB , İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü bünyesinde 106M353 kodlu TÜBİTAK projesi kapsamında kurulmuştur. Yüksek hızda deformasyon test verileri ve sonuçları, sayısal modellemede girdi verisi olarak kullanılmıştır. Kapalı hücreli alüminyum köpüğün, plastik deformasyona uğrarken yüksek enerji emme karakteristiğine sahip olması sebebi ile sandviç yapıda ara malzeme olarak seçilmiştir. Sandviç yapının öğeleri olan yüzey ve ara malzemelerin kalınlıkları ve yüzey malzemesinin patlama ilerlemesine etkisi sonlu eleman modellemeleri yapılarak incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Deneysel ve sayısal deneyler sonucunda açığa çıkan sonuçlar; sandviç yapılar uygun ara ve yüzey malzeme kombinasyonu oluşturulduğu zaman, aynı ağırlıktaki yekpare malzemeden yaklaşık %50-%150 daha fazla enerji emebilmektedir. Sayısal çözümler göstermektedir ki, 9 cm'lik bir sandviç yapıda, 10 kg TNT lik patlama yükü karşısında, 6.3 cm ve 7.2 cm lik alüminyum köpük ara yüzey malzemesi en verimli köpük kalınlığıdır. Diğer önemli bir sonuç ise, aynı patlama yüküne karşı en verimli yüzey malzemesi AISI 4340 çeliğidir.

Blast performance and energy absorption capability of closed-cell aluminum foam based lightweight sandwich structures were investigated by a coupled experimental and numerical technique to find out the effect of face and core material on the blast response. Split Hopkinson Pressure Bar Testing Method (SHPB) was used to characterize the mechanical properties of constituents of the sandwich structures at high strain rates. A SHPB set-up, a high strain rate testing apparatus which can successfully create blast load at laboratory scales, was built at IZTECH on behalf of a TUBITAK project (106M353). The high strain rate test data were used as an input for the numerical models. Closed-cell aluminum foam was chosen as core material for sandwich structures owing to its high energy absorption characteristic while deforming plastically. Finite element modeling of sandwich structures subjected to blast loading were performed for different core and face thicknesses and face materials in order to investigate their effects on the blast load mitigation. Experimentally and numerically revealed conclusions are; sandwich structures absorbed more energies than the bulkmaterials from %50 to %150 when appropriate combinations of core and face materials are used. Numerical simulations showed that 6.3 and 7.2 cm thick foam interlayer are the most efficient foam thicknesses for a 9 cm sandwich plate against 10 kg TNT blastload. Another important conclusion is for the same blast threat i.e. 10 kg of TNT, AISI 4340 Steel is the most effective face material.