Study of chamber–case ınteractıon effects on case rupture ın 25×137 mm steel cartrıdge cases

25×137 mm çeli̇k kovanlarda atim yataği–kovanetki̇leşi̇mi̇ni̇n kovan kopmasina etki̇si̇ni̇n i̇ncelenmesi̇

Tez No: 1016281
Yazar: ÖNDER SARIKAYA
Danışmanlar: DOÇ. DR. UĞURCAN EROĞLU
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
Anahtar Kelimeler: 25×137 mm çelik kovan, kovan kopması, namlu atım yatağı – kovan etkileşimi, dip – gövde geçiş bölgesi, datum 100 çapı, geçiş radyüsü, et kalınlığı, sonlu elemanlar analizi, toplam eşdeğer plastik gerinim, gerilme üç eksenliliği, sünek kırılma kriterleri, Elastik kırılma, Elastoplastik gerilme, Yapısal analiz, Yapısal kırılmalar, İç balistik, 25×137 mm steel cartridge case, cartridge case rupture, chamber–case interaction, head–body transition radius, wall thickness, finite element analysis, PEEQ, ductile fracture criteria, Elastic fracture, Elastoplastic stress, Structural analysis, Structural breaks, Interior ballistics
Yıl: 2026
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez çalışmasında, 25×137 mm çelik kovanlarda zaman zaman gözlenen kovan kopması problemi, namlu atım yatağı – kovan etkileşimi çerçevesinde deneysel ölçümler, analitik değerlendirmeler, sonlu eleman analizleri ve sünek kırılma kriterleri birlikte kullanılarak incelenmiştir. Kovan kopması her atış çevriminde meydana gelmemekle birlikte, ortaya çıktığında silah sisteminin güvenilirliğini ve operasyonel sürekliliğini doğrudan etkileyen kritik bir hata türüdür. Kopma gerçekleştiğinde, kovanın bir kısmı mekanizma tarafından çekilirken diğer kısmı namlu atım yatağı içerisinde kalabilmekte; bu durum bir sonraki mühimmatın beslenmesi sırasında üst üste binme, mekanik sıkışma ve sistemin görevini sürdürememesi gibi istenmeyen sonuçlara yol açabilmektedir. Problemin belirli mühimmat kafilelerinde gözlenmesi, buna karşılık bazı kafilelerde hiç ortaya çıkmaması, kopma mekanizmasının yalnızca tepe iç basınç değeri ile açıklanamayacağını göstermektedir.. Çalışmanın temel amacı, 25×137 mm çelik kovanlarda gözlenen kopma eğiliminin mekanik nedenlerini açıklamak ve bu eğilimi etkileyen kritik geometrik parametreleri belirlemektir. Bu kapsamda özellikle kovanın dip – gövde geçiş bölgesi kritik bölge olarak değerlendirilmiştir. Saha gözlemlerinde kopmanın bu bölgeye yakın konumlarda gerçekleşmesi, söz konusu bölgenin geometrik ve mekanik açıdan ayrıntılı olarak incelenmesini gerekli kılmıştır. Dip bölgesi, gövde bölgesine göre daha kalın ve rijit bir yapıya sahipken, gövde bölgesi iç basınç altında daha fazla deformasyona yatkındır. Bu iki bölge arasındaki radyüslü geçiş, kesit ve rijitlik değişimi nedeniyle yerel gerilme ve plastik gerinim yığılmalarına neden olabilecek bir geometrik süreksizlik oluşturmaktadır. Bu nedenle çalışmada datum 100 konumundaki çap değeri, dip – gövde geçiş radyüsü ve yerel et kalınlığı temel geometrik değişkenler olarak seçilmiştir. Deneysel inceleme kapsamında farklı üretici ve mühimmat kafilelerinden elde edilen gerçek numuneler üzerinde geometrik ölçümler gerçekleştirilmiştir. Ölçüm çalışmaları özellikle datum 100 çapı, dip – gövde geçiş bölgesi radyüsü ve kritik bölgedeki et kalınlığı üzerinde yoğunlaştırılmıştır. Datum 100 çapı, kovanın namlu atım yatağı ile temas ilişkisini ve başlangıç boşluk durumunu etkileyen önemli bir geometrik parametre olarak değerlendirilmiştir. Ölçüm sonuçları, üreticiler arasında belirgin farklılıklar bulunduğunu göstermiştir. Özellikle problemli olarak değerlendirilen mühimmat grubunda datum 100 çap değerlerinin önemli bir kısmının STANAG 4173 (NATO STANAG (Standardization Agreement), 1998) standardında belirtilen alt tolerans sınırının altında kaldığı görülmüştür. Buna karşılık, saha denemelerinde kopma gözlenmeyen mühimmat grubunda datum 100 çaplarının tolerans aralığı içerisinde kaldığı belirlenmiştir. Ancak çalışmada bu çap değerinin tek başına kopmayı açıklamak için yeterli olmadığı, diğer geometrik parametrelerle birlikte değerlendirilmesi gerektiği sonucuna ulaşılmıştır.xxiv Dip – gövde geçiş bölgesi radyüsü, çalışmanın en kritik geometrik parametrelerinden biri olarak ele alınmıştır. Bu radyüs, yerel çentik etkisi oluşturan bir geçiş geometrisi niteliğindedir. Radyüs değerinin küçülmesi, aynı nominal yükleme altında daha yüksek yerel gerilme yığılması oluşmasına neden olabilmektedir. Ölçüm sonuçları, kopma eğilimi gösteren mühimmat grubunda bu radyüs değerlerinin daha düşük seviyelerde toplandığını, sorunsuz çalışan mühimmat grubunda ise daha büyük radyüs değerlerinin baskın olduğunu göstermiştir. Benzer şekilde, kritik bölgedeki et kalınlığı ölçümleri de üreticiler arasında sistematik farklar bulunduğunu ortaya koymuştur. Daha düşük et kalınlığı, kovanın iç basınç altında daha fazla lokal deformasyon göstermesine ve plastik gerinim birikiminin artmasına yol açabilecek bir mekanik koşul oluşturmaktadır. Tel erezyon yöntemiyle alınan kesit görüntüleri, bu geometrik farklılıkların fiziksel olarak da gözlenebildiğini ve dip – gövde geçiş bölgesindeki yerel geometri değişimlerinin kovan kopması açısından önemli olduğunu desteklemiştir. Senaryo A, küçük datum 100 çapı, küçük geçiş radyüsü ve düşük et kalınlığı kombinasyonunu içeren en olumsuz geometrik durumu temsil etmektedir. Senaryo B, kopma eğilimi gösteren üreticiye ait temsilî geometriyi, Senaryo D ise saha koşullarında kopma gözlenmeyen üreticiye ait temsilî geometriyi ifade etmektedir. Senaryo C geçiş niteliğinde bir sınır durumu, Senaryo E ise daha büyük çap, daha büyük radyüs ve daha yüksek et kalınlığına sahip daha elverişli bir geometrik kombinasyon olarak tanımlanmıştır. Bu yaklaşım sayesinde her bir geometrik parametrenin tekil etkisinden ziyade, saha koşullarını daha gerçekçi temsil eden birleşik geometri etkisi incelenebilmiştir. Kovanın iç basınç altındaki mekanik davranışını temsil edebilmek amacıyla öncelikle analitik değerlendirmeler yapılmıştır. İç balistik yükleme, Vallier–Heydenreich yöntemiyle elde edilen zaman bağımlı iç basınç eğrisi kullanılarak tanımlanmıştır. Bu eğri sonlu eleman modelinde kovanın iç yüzeylerine zamana bağlı basınç yükü olarak uygulanmıştır. Analitik aşamada, kovanın iç basınç altında genleşmesi, namlu atım yatağı ile temasa geçmesi ve basınç boşalması sonrasında elastik toparlanma ve kalıcı deformasyon davranışı değerlendirilmiştir. Klasik ince cidarlı ve kalın cidarlı silindir yaklaşımları, kovan ve namlu atım yatağı arasındaki genel temas ve sıkışma eğilimini anlamak için yararlı olmakla birlikte, dip – gövde geçiş bölgesindeki yerel gerilme ve gerinim durumunu açıklamak için yeterli değildir. Sonlu eleman modeli eksenel simetri varsayımı altında oluşturulmuştur. Kovan malzemesi elastik-plastik davranış gösterecek şekilde tanımlanmış, namlu atım yatağı ise elastik bölgede kalacak şekilde modellenmiştir. Kovan ile namlu atım yatağı arasında temas tanımlanmış, iç basınç kovanın gazla temas eden iç yüzeylerine uygulanmıştır. Kritik dip – gövde geçiş bölgesinde yüksek gerilme ve gerinim gradyanlarının oluşması beklendiğinden, bu bölgede daha yoğun bir ağ yapısı kullanılmıştır. Ayrıca, temasın doğru yakalanabilmesi için namlu atım yatağı iç yüzeyinde de benzer şekilde hassas ağ tanımı yapılmıştır. Bu model üzerinden maksimum asal gerilme, orta asal gerilme, minimum asal gerilme, eşdeğer von Mises gerilmesi, toplam eşdeğer plastik gerinim ve gerilme üç eksenliliği gibi temel mekanik büyüklükler zaman geçmişi boyunca izlenmiştir. Hesaplama maliyetini azaltmak ve kritik bölgedeki sonuçları daha yüksek çözünürlükle incelemek amacıyla yerel bir alt model oluşturulmuştur. Bu alt model, dip – gövde geçiş bölgesini ve bu bölge ile temas eden namlu atım yatağı kısmını içerecek şekilde tanımlanmıştır. Alt model sınırları seçilirken, kritik bölgedeki gerilmexxv ve gerinim alanlarını yapay olarak etkilemeyecek, ancak tam modelden gelen yük aktarımını yeterli doğrulukla temsil edecek bir yaklaşım benimsenmiştir. Tam model ve alt model sonuçları karşılaştırıldığında, kritik bölgede elde edilen temel mekanik büyüklükler arasında kabul edilebilir düzeyde fark bulunduğu görülmüştür. Bu durum, yerel alt modelin parametrik analizlerde kullanılmak için yeterli doğruluk sağladığını ve mekanik davranışın büyük ölçüde yerel geometri, temas koşulları ve uygulanan iç basınç yükü tarafından kontrol edildiğini göstermektedir. Sonlu eleman analizlerinden elde edilen sonuçlar, kovan kopması eğiliminin tek bir gerilme büyüklüğü ile açıklanamayacağını ortaya koymuştur. Kritik bölgede maksimum asal gerilmenin yüklemenin erken aşamalarında belirgin hâle geldiği, buna karşılık toplam eşdeğer plastik gerinimin yükleme süreci boyunca birikmeye devam ettiği görülmüştür. Gerilme üç eksenliliği ise yükleme sırasında değişken karakter göstermiş ve bazı aşamalarda çekme karakterli gerilme durumunun daha baskın hâle geldiğini ortaya koymuştur. Bu bulgular, kovan kopmasının yalnızca belirli bir andaki maksimum gerilme seviyesiyle değil, gerilme durumu, plastik gerinim birikimi ve yükleme geçmişi ile birlikte değerlendirilmesi gerektiğini göstermektedir. Özellikle toplam eşdeğer plastik gerinim, basınç uygulanması, plastikleşme, basınç boşalması ve kalıntı durum dâhil olmak üzere tüm yükleme geçmişi boyunca biriken plastik deformasyonu temsil ettiğinden, kopma eğiliminin değerlendirilmesinde temel göstergelerden biri olarak kullanılmıştır. A–E senaryoları karşılaştırıldığında, geometrik parametrelerin birleşik etkisinin kritik bölgedeki mekanik davranış üzerinde sistematik bir etki oluşturduğu görülmüştür. Senaryo A ve B gibi daha olumsuz geometrik kombinasyonlarda daha yüksek gerilme seviyeleri, daha fazla plastik gerinim birikimi ve daha olumsuz gerilme üç eksenliliği koşulları elde edilmiştir. Buna karşılık Senaryo D ve E gibi daha elverişli geometriye sahip durumlarda gerilme dağılımının daha homojen olduğu, plastik deformasyon seviyesinin azaldığı ve çok eksenli gerilme etkisinin daha sınırlı kaldığı görülmüştür. Sonuçların yalnızca tek bir düğüm noktasına bağlı kalmaması için, dip – gövde geçiş bölgesinden datum 100 konumuna doğru uzanan referans bölgeler tanımlanmış ve özellikle 4., 5., 6. ve 7. bölgeler incelenmiştir. Bu bölgelerde elde edilen eğilimlerin tutarlı olması, kopma eğiliminin bölgesel bir mekanik davranış sonucu geliştiğini desteklemektedir. Kovan kopması eğilimini daha bütüncül olarak değerlendirmek amacıyla sünek kırılma kriterleri kullanılmıştır. Bu kapsamda Cockcroft–Latham, Oh, Brozzo ve McClintock kriterleri sonlu eleman analizlerinden elde edilen zaman bağımlı gerilme ve plastik gerinim sonuçları üzerinden artımsal olarak hesaplanmıştır. Her zaman adımında eşdeğer plastik gerinimdeki artış ilgili gerilme bileşeni veya gerilme oranı ile birlikte değerlendirilmiş, ardından bu değerler zaman boyunca toplanarak kümülatif hasar parametreleri elde edilmiştir. Bu çalışmada mikromekanik boşluk oluşumu, boşluk büyümesi veya boşluk birleşmesi doğrudan modellenmemiştir. Bunun yerine, sünek kırılma eğilimi sonlu eleman analizlerinden elde edilen makroskopik gerilme, plastik gerinim, gerilme üç eksenliliği ve kümülatif hasar göstergeleri kullanılarak mühendislik seviyesinde değerlendirilmiştir. Sünek kırılma kriterleri sonucunda elde edilen hasar değerleri, geometrik senaryolar arasında tutarlı bir sıralama ortaya koymuştur. Tüm kriterlerde en yüksek kümülatif hasar değerleri genel olarak Senaryo A ve B'de elde edilirken, Senaryo D ve E daha düşük hasar seviyeleri göstermiştir. Mutlak hasar değerleri kriterden kritere değişmekle birlikte, senaryoların göreli sıralaması büyük ölçüde korunmuştur. Buxxvi durum, kullanılan sünek kırılma kriterlerinin farklı mekanik varsayımlara dayanmasına rağmen, geometrik parametrelerin birleşik etkisini benzer şekilde yakaladığını göstermektedir. Hasar birikiminin özellikle plastik gerinim artışının hızlandığı yükleme aşamalarında belirginleşmesi, kovan kopması eğiliminin zamana bağlı ve birikimli bir hasar süreci olduğunu desteklemektedir. Elde edilen tüm bulgular birlikte değerlendirildiğinde, 25×137 mm çelik kovanlarda gözlenen kovan kopması probleminin tek bir geometrik parametreye veya tek bir anlık gerilme değerine indirgenemeyeceği sonucuna ulaşılmıştır. Küçük datum 100 çapı, küçük dip – gövde geçiş radyüsü ve düşük et kalınlığı tek başlarına önemli olmakla birlikte, asıl belirleyici etki bu parametrelerin birlikte oluşturduğu yerel mekanik durumdur. Bu çalışma sonucunda, kovan kopması riskinin azaltılmasına yönelik bazı mühendislik önerileri geliştirilmiştir. İkinci olarak, kritik bölgedeki et kalınlığı minimum sınırları gözden geçirilmeli ve bu parametre geçiş radyüsü ile birlikte değerlendirilmelidir. Tasarım ve üretim doğrulama süreçlerinde 𝐷100, 𝑅 ve 𝑡 parametrelerinin birleşik etkisini dikkate alan parametrik optimizasyon yaklaşımlarının kullanılması önerilmektedir. Ayrıca, ileride yapılacak çalışmalarda gerçek malzeme testleriyle daha ayrıntılı elastik-plastik malzeme modellerinin oluşturulması, açık hasar veya kırılma modellerinin uygulanması ve kritik bölgeye yönelik metalografik, sertlik ve mikro yapı incelemeleriyle sonlu eleman bulgularının desteklenmesi faydalı olacaktır.

Özet (Çeviri)

In this thesis, the cartridge case rupture problem occasionally observed in 25×137 mm steel cartridge cases is investigated within the framework of chamber–case interaction. Although cartridge case rupture does not occur in every firing cycle, when it does occur, it constitutes a critical failure mode that adversely affects the reliability and continuity of the weapon system. The intermittent nature of this problem indicates that the rupture mechanism cannot be explained only by the peak internal pressure; instead, multiple factors such as geometry, contact conditions, tolerances, plastic deformation, and loading history must be evaluated together. The study first identifies the head–body transition region of the cartridge case as the critical area where rupture may occur. The notch-forming radius in this region, the local wall thickness, and the datum 100 diameter (𝐷100), which represents the outer geometry of the case at a specific axial location, were evaluated as the major geometric parameters affecting case rupture. Within the scope of the experimental investigation, geometric measurements were carried out on real samples obtained from different ammunition lots. The datum 100 diameter, the head–body transition radius, and the wall thickness data were statistically evaluated. It was found that 𝐷100 measurements exhibited significant differences with respect to the tolerance range specified in STANAG 4173, and that distinct geometric differences existed between Manufacturer B and Manufacturer D ammunition in terms of both radius and wall thickness. Field observations also showed that while no case rupture was observed in ammunition lots remaining within tolerance, problematic lots exhibited an approximately 2% case rupture rate. Based on the experimental findings, numerical investigations were performed using analytical calculations together with the finite element method. The pressure–time curve was calculated by the Vallier–Heydenreich method and applied to the axisymmetric finite element model. In addition, a local submodel representing the head–body transition region where rupture may occur was created and validated through comparison with the full model. It was determined that the full model and the submodel exhibited similar trends in the critical region in terms of maximum principal stress, minimum principal stress, equivalent von Mises stress, total equivalent plastic strain (PEEQ), and η (η). This finding indicates that the critical mechanical behavior is largely governed by local geometry and local contact conditions. In the parametric analyses, representative and critical scenarios were established for 𝐷100 diameter, head–body transition radius, and wall thickness based on measured data. The results showed that combinations of small 𝐷100 diameter, small radius, and low wall thickness produced higher maximum principal stress, greater equivalent plastic strain accumulation, and a more unfavorable stress state in the critical region. Structural analysis results revealed that maximum principal stress becomes significantxxii during the early stage of loading, while minimum principal stress increases as loading progresses, making the stress state increasingly multiaxial. Furthermore, the PEEQ result represents the accumulated plastic strain throughout the entire loading history, including pressure application, plasticization, pressure release, and residual state, and therefore constitutes one of the principal indicators for evaluating rupture tendency. The combined evaluation of η and PEEQ showed that cartridge case rupture cannot be explained by a single stress or strain threshold. When the tensile-type principal stress state occurring in the early stage in the critical region is considered together with the subsequent accumulation of plastic strain and the multiaxial stress condition, the rupture tendency is found to be a time-dependent and multi-stage mechanical process. Therefore, the study concludes that case rupture should not be regarded merely as an event associated with the extraction stage; rather, the mechanical conditions promoting rupture tendency develop in the critical region during internal pressure loading and may subsequently evolve through the following mechanical stages. In addition to the stress, plastic strain, and η evaluations, ductile fracture criteria were used to interpret the accumulated damage tendency in the critical region. The Cockcroft–Latham, Oh, Brozzo, and McClintock criteria were calculated incrementally using the time-dependent stress and plastic strain histories obtained from the finite element analyses. Although these criteria produced different absolute damage values, they provided a consistent ranking among the geometric scenarios. The highest cumulative damage levels were obtained for Scenarios A and B, whereas Scenarios D and E exhibited lower damage accumulation. This result supports the interpretation that unfavorable combinations of smaller 𝐷100 diameter, smaller transition radius, and lower wall thickness increase the tendency for damage accumulation in the case head–body transition region. As a result, this study explains the cartridge case rupture problem observed in 25×137 mm steel cartridge cases within a multi-parameter mechanical framework supported by measured real geometric data, field observations, and finite element analyses. The findings indicate that the 𝐷100 diameter, the head–body transition radius, and the wall thickness are particularly critical parameters from the standpoint of design and manufacturing verification. The results also show that damage accumulation-based approaches provide a more comprehensive engineering interpretation of rupture tendency than evaluations based only on instantaneous stress values or yielding.

Benzer Tezler

Tez No
151
Devrelerin büyük işaret cevaplarının bilgisayar yardımıyla bulunması
Başlık çevirisi yok
NÜKHET GÜNEYİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Uludağ Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜR TÜTÜNCÜOĞLU
Tez No
152
Buğdayda farklı melezleme teknikleri kullanarak tohum tutma oranının saptanılması
Başlık çevirisi yok
İSMAİL TÜZÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Ziraat Uludağ Üniversitesi
Tarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİS RUHİ EKİNGEN
Tez No
401
Antakya tarihi ticaret merkezi mekansal yapı değişim ve gelişim sürecinin kent ticaret merkezi planlamasına etkinliği
The Effectiveness of spatial structural chance and development period of the historical trade center of Antakya in the urban trade planning
NEVİN TURGUT
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Şehircilik ve Bölge Planlama Gazi Üniversitesi
Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURCAN UYDAŞ
Tez No
252
İzmir'de bazı yolların kapatılarak yaya bölgeleri oluşturma da kent peyzajını geliştirme açısından yeniden planlanması üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
BAHAR TÜRKYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Şehircilik ve Bölge Planlama Ege Üniversitesi
Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
Tez No
1
Ovulasyon indüksiyonu tedavisinde folliküler gelişimin ultrasonografik takibi
Başlık çevirisi yok
MERİH BAYRAM
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Kadın Hastalıkları ve Doğum Gazi Üniversitesi
Kadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜLAZIM YILDIRIM

Geri Dön