Perforation analysis of S235 steel sheets up to 573 K using experimental and numerical methods

• Autorzy: Klosak Maciej , Grazka Michał , Kruszka Leopold , Mocko Wojciech

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.138075

Warianty tytułu

PL

Analiza perforacji arkuszy stali S235 w temperaturach do 573 K metodą eksperymentalną i numeryczną

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper reports on efficient experimental and numerical techniques used in the design of critical infrastructure requiring special protection measures regarding security and safety. The presented results, some of which have already been reported in [1], were obtained from perforation experiments carried out on S235 steel sheets subjected to impacts characterized as moderate velocity (approximately 40-120 m/s). The metal was tested using the Hopkinson Bar Technique and pneumatic gun. The originality of perforation testing consist on using a thermal chamber designed to carry out experiments at higher temperatures. 3D scanners and numerically controlled measuring devices were used for the final shape deformation measurements. Finally, the results of FEM analysis obtained using explicit solver are presented. The full-scale CAD model was used in numeric calculations.

PL

W artykule opisano efektywne techniki eksperymentalne i numeryczne stosowane w projektowaniu konstrukcjo-ochronnych budowlanej infrastruktury krytycznej. Bezpieczeństwo infrastruktury krytycznej stało się poważniejszym problemem w czasach rosnących zagrożeń terrorystycznych. Infrastruktura krytyczna odnosi się do obiektów budowlanych i ich elementów, w tym w szczególności do budowli związanych z wytwarzaniem, przesyłem i dystrybucją energii elektrycznej, paliw, ropy naftowej i produktów ropopochodnych, sieci telekomunikacyjnych i wodociągowych, zakładów produkcji i dystrybucji żywności, elektrociepłowni, obiektów ochrony zdrowia (szpitale), komunikacyjnych (drogi, koleje, lotniska, porty morskie), instytucji finansowych i służby bezpieczeństwa (policja, wojsko, ratownictwo). Tak więc infrastruktura krytyczna to nie tylko budynki wojskowe, ale także obiekty użyteczności publicznej, które wykonane są z typowych materiałów budowlanych, takich jak użyta w prezentowanych badaniach stal S235. Ich konstrukcje zabezpieczające powinny spełniać warunek niezawodności jak dla konstrukcji inżynierskich, dla których zostały w pełni określone właściwości ochronne materiałów konstrukcyjnych. Należy zauważyć, że zagrożenie dla krytycznych elementów infrastruktury zwykle nie pochodzi z bezpośredniego ataku rakietowego, ale jest spowodowane głównie przez odłamki z eksplozji lub w wyniku rykoszetu. Ponieważ cały budynek nie może być chroniony przed atakiem rakietowym, inżynierowie projektują specjalne wzmocnienia składające się z metalowych paneli lub elementów kompozytowych na drzwi, ściany itp. Tutaj zastosowanie znajdują blachy stalowe S235, których właściwości użytkowe są korzystne dla rozwoju zastosowań inżynierskich w dziedzinie ochrony infrastruktury krytycznej.

Słowa kluczowe

EN

steel perforation; ballistic properties; FEM analysis; CNC; measuring

PL

perforacja stali; właściwości balistyczne; analiza MES; pomiar; CNC

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 3
• Strony: 639--659
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Klosak Maciej

• Universiapolis, Technical University of Agadir, Agadir, Morocco

• https://orcid.org/0000-0001-6763-9704

autor

Grazka Michał

• Military University of Technology, Faculty of Mechatronics, Armaments and Aviation, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0639-5755

autor

Kruszka Leopold

• Military University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Geodesy, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5129-2531

autor

Mocko Wojciech

• Motor Transport Institute, Center for Material Testing, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6845-5453

Bibliografia

• [1] M. Grazka, L. Kruszka, W. Mocko and M. Klosak, “Advanced Experimental and Numerical Analysis of Behavior Structural Materials Including Dynamic Conditions of Fracture for Needs of Designing Protective Structures”, in Soft Target Protection, NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security, Springer, 2020, pp. 121-137. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1755-5_10
• [2] N. Jones, and J. Paik, “Impact perforation of aluminium alloy plates”, International Journal of Impact Engineering, vol. 48, pp. 46-53, 2012. https://doi.org/10.1590/S1679-78252013000400006
• [3] L. Kruszka and R. Rekucki, “Experimental Analysis of Impact and Blast Resistance for Various Built Security Components”, in Soft Target Protection. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security, L. Hofreiter, V. Berezutskyi, L. Figuli, Z. Zvaková (eds). Springer, Dordrecht, pp. 211-239, 2020. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1755-5_18
• [4] Council Directive 2008/114/EC of 8 December 2008 on the identification and designation of European critical infrastructures and the assessment of the need to improve their protection, European Union, 2008.
• [5] L. Kruszka and Z. Kubíková, “Critical Infrastructure Systems Including Innovative Methods of Protection”, in Critical Infrastructure Protection. NATO Science for Peace and Security Series D: Information and Communication Security, L. Kruszka, M. Klosak, P. Muzolf P. (eds), IOS Press, Amsterdam, 2019.
• [6] L. Kruszka and R. Rekucki, “Performance of protective doors and windows under impact and explosive loads”, Applied Mechanics and Materials, vol. 82, pp. 422-427, 2011. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.82.422
• [7] European Standard EN10025:2004.
• [8] M. Klosak, A. Rusinek, A. Bendarma, T. Jankowiak and T. Lodygowski, “Experimental study of brass properties through perforation test using a thermal chamber for elevated temperatures”, Latin American Journal of Solid and Structures, vol. 15, no 10, 2018. https://doi.org/10.1590/1679-78254346
• [9] T. Jankowiak, A. Rusinek, K.M. Kpenyigba and R. Pesci, “Ballistic behaviour of steel sheet subjected to impact and perforation”, Steel and Composite Structures, vol. 16, no 6, pp. 595-609, 2014. https://doi.org/10.12989/scs.2014.16.6.595
• [10] A. Rusinek, J.A. Rodrıguez-Martınez, R. Zaera, J.R. Klepaczko, A. Arias and C. Sauvelet, “Experimental and numerical study on the perforation process of mild steel sheets subjected to perpendicular impact by hemispherical projectiles”, International Journal of Impact Engineering, vol. 36, no 4, pp. 565-587, 2009. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2008.09.004
• [11] W. Mocko, J. Janiszewski, J. Radziejewska and M. Grazka, „Analysis of deformation history and damage initiation for 6082-T6 aluminium alloy loaded at classic and symmetric Taylor impact test conditions”, International Journal of Impact Engineering, vol. 75, pp. 203-213, 2015. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2014.08.015
• [12] M. Grazka and J. Janiszewski, “Identification of Johnson-Cook equation constants using finite element method”, Engineering Transactions, vol. 60, no 3, pp. 215-223, 2012.
• [13] R. Panowicz, J. Janiszewski and K. Kochanowski, “The influence of non-axisymmetric pulse shaper position on SHPB experimental data”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, vol. 56, no 3, pp. 873-886, 2017. https://doi.org/10.15632/jtam-pl.56.3.873
• [14] L. Kruszka and J. Janiszewski, “Experimental analysis and constitutive modelling of steel of A-IIIN strength class”, EPJ Web of Conferences, vol. 94, 05007, 2015. https://doi.org/10.1051/epjconf/20159405007
• [15] A. Rusinek, R. Bernier, R. Matadi Boumbimba, M. Klosak, T. Jankowiak and G.Z. Voyiadjis, “New device to capture the temperature effect under dynamic compression and impact perforation of polymers, application to PMMA”, Polymer testing, vol. 65, pp. 1-9, 2018. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.10.015
• [16] A. Bendarma, T. Jankowiak, T. Łodygowski, A. Rusinek and M. Klosak, “Experimental and numerical analysis of the aluminum alloy AW5005 behaviour subjected to tension and perforation under dynamic loading”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, vol. 55, no 4, pp. 1219-1233, 2016. https://doi.org/10.15632/jtampl. 55.4.1219
• [17] T. Børvik, O,S. Hopperstad, M. Langseth and K.A. Malo, “Effect of target thickness in blunt projectile penetration of Weldox 460 E steel plates”, International Journal of Impact Engineering, vol. 28, no 4, pp. 413-464, 2003. https://doi.org/10.1016/S0734-743X(02)00072-6
• [18] T. Jankowiak, A. Rusinek and P. Wood, “A numerical analysis of the dynamic behaviour of sheet steel perforated by a conical projectile under ballistic conditions”, Finite Elements in Analysis and Design, vol. 65, pp. 39-49, 2013. https://doi.org/10.1016/j.finel.2012.10.007
• [19] B. Landkof and W. Goldsmith, “Petaling of thin metallic plates during penetration by cylindro-conical projectiles”, International Journal of Solids and Structures, vol. 21, no 3, pp. 245-266, 1985. https://doi.org/10.1016/0020-7683(85)90021-6
• [20] K.M. Kpenyigba, T. Jankowiak, A. Rusinek and R. Pesci, “Influence of projectile shape on dynamic behaviour of steel sheet subjected to impact and perforation”, Thin-Walled Structures, vol. 65, pp. 93-104, 2013. https://doi.org/10.1016/j.tws.2013.01.003
• [21] Z. Wei, D. Yunfei, C. Zong Sheng and W. Gang, “Experimental investigation on the ballistic performance of monolithic and layered metal plates subjected to impact by blunt rigid projectiles”, International Journal of Impact Engineering, vol. 49, pp. 115-129, 2012. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2012.06.001
• [22] R.F. Recht and T.W. Ipson, “Ballistic perforation dynamics”, Journal of Applied Mechanics, vol. 30, no 3, pp. 384-390, 1963. https://doi.org/10.1115/1.3636566
• [23] J.K. Holmen, O.S. Hopperstad and T. Børvik, “Influence of yield-surface shape in simulation of ballistic impact”, International Journal of Impact Engineering, vol. 108, pp. 136-146, 2017. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2017.03.023
• [24] A. Arias, J.A. Rodríguez-Martínez and A. Rusinek, “Numerical simulations of impact behaviour of thin steel plates subjected to cylindrical, conical and hemispherical non-deformable projectiles”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 75, pp. 1635-1656, 2008. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2007.06.005
• [25] A. Massaq, A. Rusinek, M. Klosak, F. Abed and M. El Mansori, “A study of friction between composite-steel surfaces at high impact velocities”, Tribology International, vol. 102, pp. 38-43, 2016. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.05.011
• [26] M. Klosak, T. Jankowiak, A. Rusinek, A. Bendarma, P.W. Sielicki and T. Lodygowski, “Mechanical Properties of Brass under Impact and Perforation Tests for a Wide Range of Temperatures: Experimental and Numerical Approach”, Materials, vol. 13, no 24, 5821, 2020. https://doi.org/10.3390/ma13245821
• [27] S.C. Lim, M.F. Ashby and J.H. Brunton, “The effects of sliding conditions on the dry friction of metals”, Acta Metallurgica, vol. 37, no 3, pp. 767-772, 1989. https://doi.org/10.1016/0001-6160(89)90003-5
• [28] Z. Rosenberg and Y. Vayig, “On the friction effect in the perforation of metallic plates by rigid projectiles”, International Journal of Impact Engineering, vol. 149, 103794, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2020.103794
• [29] Friction and Friction Coefficients, www.engineeringtoolbox.com [access 2018-03-03].
• [30] G.R. Johnson and W.H. Cook, “A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures”, in Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics, vol. 21, pp. 541-547, 1983.
• [31] W. Ciolek, „Stal budowlana w temperaturach pożarowych w świetle Eurokodów - cz II (in Polish)”, Inżynier Budownictwa, vol. 4, pp. 89-93, 2015.
• [32] G.R. Johnson and W.H. Cook, “Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 21, pp. 31-48, 1985. https://doi.org/10.1016/0013-7944(85)90052-9
• [33] G.R. Johnson and T.J. Holmquist, “Test Data and Computational Strength and Fracture Model Constants for 23 Materials Subjected to Large Strains, High Strain Rates, and High Temperatures”, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM, USA. 1989.