BU-Ali Sina University

 

Faculty of Engineerin

Department of Mechanical Engineering

 

 

Thesis Submitted for Master of Science in Mechanical Engineering–Applied Design

 

 

Title:

 

Experimental and Numerical Investigations of the Effect of Foam Core Layers Arrangement on the Ballistic Resistance of Sandwich Structures

 

 Supervisor:

Ali Alavi Nia (Ph. D.)

 

By:

Mohammad Abbasi

 

 

26 September 2017

 

چكيده:

سازه‌های ساندويچي به دلیل داشتن سفتي و استحكام خمشي بالا در مقابل جرم كمي كه دارند كاربرد‌های گسترده­اي در صنايع مختلف یافته‌اند. در این تحقیق، اثر لایه‌ای کردن هسته سازه‌های ساندویچی که از جنس فوم پلی‌یورتان است و همچنین، چیدمان این لایه‌ها بر مقاومت بالستیکی سازه در برخوردهای سرعت‌بالا به دو روش‌ عددی (با استفاده از نرم‌افزار ال‌اس‌داینا) و تجربی بررسی شده است. نتایج این تحقیق نشان داد که لایه‌ای کردن هسته با ثابت در نظر گرفتن جرم و ضخامت هسته، باعث بالا رفتن سرعت حد بالستیک سازه‌های ساندویچی می‌شود، به‌طوری‌که سرعت حد بالستیک سازه‌های ساندویچی با هسته‌ چهار‌لایه، با چیدمان‌های لایه‌ای مختلف هسته، در مقایسه با سازه ساندویچی با هسته تک‌لایه، به طور میانگین 5 تا 8 درصد بیشتر است. همچنین، در این تحقیق اثر پارامتر‌هایی چون هسته سازه ساندویچی، ضخامت رویه‌ها، هندسه دماغه پرتابه، قطر پرتابه و جرم پرتابه بر روی سرعت حد بالستیک مورد بررسی قرار گرفت. این بررسی­ها نشان داد که حذف هسته از سازه ساندویچی منجر به کاهش سرعت حد بالستیک به مقدار 54 درصد می­شود. افزایش ضخامت رویه پشتی (با ثابت ماندن مجموع ضخامت‌های دو رویه) موجب افزایش سرعت حد بالستیک به میزان بیش از 6% می­گردد. سرعت حد بالستیک پرتابه‌های سر نیم‌کروی و سر مخروطی نسبت به سر تخت به ترتیب، به میزان 5/9 و 6/15 درصد کمتر است. با ثابت درنظر گرفتن جرم پرتابه، با افزایش قطر آن به اندازه 5/12 و25 درصد، سرعت حد بالستیک به ترتیب، به مقدار 5/6 و 4/14 درصد افزایش، و با کاهش قطر به اندازه 5 و 10 درصد، سرعت حد بالستیک به ترتیب، به مقدار 9/7 و 5/13 درصد کاهش یافت. با فرض ثابت بودن انرژی جنبشی اولیه، افزایش جرم پرتابه نیز باعث کاهش سرعت حد بالستیک می‌شود به‌طوری که با افزایش 14 و 1/46 درصدی جرم پرتابه به ترتیب، 5/8 و 3/18 درصد، سرعت حد بالستیک کاهش می‌یابد.

 

واژه­های کلیدی: سازه‌های ساندویچی-فوم پلی‌یورتان -حد بالستیک-ال‌اس‌داینا

 

Abstract:

Sandwich structures have been widely used in various industries due to the high stiffness and high bending strength despite having small mass. In this study, the effect of layering of the sandwich structure core, which is made of polyurethane foam, as well as the effect of these layers arrangements on the ballistic resistance of the structure in high velocity impact, has been investigated in both numerical (using the LS-Dyna code) and experimental methods. The results of the study showed that, the core layering with considering the constant mass and thickness for the core, leads to increase the ballistic limit of the sandwich structures. Such that the ballistic limit of sandwich structures with a four-layer core, with different layers arrangements, on average, is 5 to 8 percent more than that of the single layer core sandwich structure. Also, in this research, the effect of parameters such as the core of the sandwich structure, thickness of the face-sheets, geometry of projectile nose, projectile diameter and projectile mass on the ballistic limit were investigated. The removal of the core from the sandwich structure led to a 54% reduction in ballistic limit. Increasing the thickness of the back face-sheet (with a constant total thickness of two face-sheets) can increase the ballistic limit up to 6%. The ballistic limit of the hemispherical nose and the conical nose projectiles is 9.5% and 15.6% less, respectively, relative to the flat nose projectile. For the same mass projectiles, increasing the projectile diameter up to 12.5% and 25%, the ballistic limit was increased by 6.5% and 14.4%, respectively, and with a diameter decrease of 5 and 10%, the ballistic limit decreased by 7.9% and 13.5%, respectively. Assuming the initial kinetic energy is fixed, the increase in the mass of the projectile also reduces the ballistic limit, so that with a 14% and 46.1% increase in the projectile mass, the ballistic limit decreases by 8.5% and 18.3%, respectively.

 

Key Words: Sandwich Structure-Polyurethane Foam-Ballistic Limit-LS Dyna