The Effect of Material Strain Rate Sensitivity on the Shock Deformation of an Aluminum Corrugated Core

Abstract

The effect of the material model on the crushing behavior of a layered 1050 H14 aluminum corrugated sandwich structure was investigated numerically as function of velocity (0.0048, 20, 60, 150 and 250 m s-1) using three different material models; elastic-perfectly plastic (model I), elastic-strain hardening (model II) and elastic-strain and strain rate hardening (model III). Three-dimensional finite element models were developed in the explicit finite element code of LS-DYNA. Between 0.0048 m s-1 and 20 m s-1, the numerically calculated stresses at the impact and distal end were almost the same and in equilibrium, showing a “quasi-static homogenous mode”. The deformation mode at 60 m s-1 was a “transition mode” and between 150 and 250 m s-1 a shock mode in which the layers were crushed sequentially. The numerical study showed that the strain and strain rate hardening models tended to induce non-sequential layer crushing. The collective layer crushing was also more pronounced in the material model II and III than the material model I. For low strain hardening aluminum alloys and similar materials, the effect of strain hardening in increasing plateau stress was more significant than the strain rate hardening at the quasi-static velocity, while both strain hardening and strain rate hardening effect increased with increasing velocity. The stress reduction by the inclusion of imperfections however declined with the velocity since the samples started to deform near the impact end as the velocity increased.

Çok katmanlı 1050 H14 alüminyum dalgalı sandviç yapının malzeme modelinin, ezilme davranışı üzerindeki etkisi nümerik olarak incelendi. Farklı hızlarda (0.0048, 20, 60, 150 ve 250 m s-1) üç farklı malzeme modeli, elastik-mükemmel plastik (model I), elastik-gerinim sertleşmesi (model II), elastik gerinim ve gerinim oranı sertleşmesi (model III) kullanılarak araştırma gerçekleştirildi. LS-DYNA programının açık dinamik sonlu eleman kodu kullanılarak üç boyutlu sonlu eleman modelleri geliştirildi. 0.0048 m s-1 ve 20 m s-1 arasında darbe ucundan ve uzak uçtan nümerik olarak hesaplanıp elde edilen stres değerlerinin neredeyse eşit olması bu hız aralığındaki deformasyon modunun yarı statik homojen mod olduğunu gösterdi. Deformasyon modu 60 m s-1 hızda geçiş modu iken 150 ve 250 m s-1 arasında şok modu olup numune katmanları ardışık olarak ezilmiştir. Elastik-gerinim sertleşmesi (model II), elastik gerinim ve gerinim oranı sertleşmesi (model III) modelleri ardışık olmayan katman ezilmesi eğilimi göstermiştir. Ayrıca toplu katman ezilmesi durumu II ve III numaralı malzeme modellerinde I numaralı malzeme modeline göre daha fazla meydana gelmiştir. Düşük pekleştirmeli alüminyum ve benzeri malzemeler için yarı statik hızda gerinim sertleşmesinin plato geriliminin artması üzerindeki etkisi, gerinim sertleşmesi oranının etkisinden daha fazladır. Hızın artmasıyla birlikte gerinim sertleşmesi ve gerinim sertleşmesi oranının etkisi artmaktadır. Ayrıca hız arttıkça numune darbe ucuna yakın yerden deforme olmaya başladığından kusurlu katmandan kaynaklanan ilk ezilme stresindeki düşüş miktarı da azalır.