Geri Dön

Pattern and rigidity effects of adhesive on the stress distribution of the adhesively bonded composite joints

Yapışkan bağlantılı kompozit yapılarda yapışkan desen ve rijitliğinin gerilme dağılımı üzerindeki etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 496313
  2. Yazar: FERHAT DEMİR
  3. Danışmanlar: DR. LEVENT KIRKAYAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 148

Özet

Yapışkan bağlantılı kompozit yapılar kolay üretilebilirlik, hafif montaj ağırlığı, gerilim dağılımının diğer bağlantı tiplerine oranla daha düzgün olması ve yük aktarımının homojenliği, yüksek yorulma ve hasar performansları sebebi ile endüstriyel uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Ancak, bağlantı bölgelerinin her daim yapı için bir süreksizlik meydana getirdiğinden, yükleme altında potansiyel hasar bölgeleridir. Yapışkan bağlantılı kompozit yapıların yapışkan üzerindeki gerilme yığılmasının, literatür araştırmalarına paralel olarak gerçekleştirilen analizlerde de yapışkanın uçlarında yığıldığı gözlemlenmektedir. Sistemin dayanımı açısından bu gerilme yığılmasının olabildiğince üniform olması, tüm bağlantı sistemleri için temel hedefi oluşturmaktadır. Bu çalışmada, ilk olarak tek tesirli ve çift tesirli bindirme bağlantıları incelenmiştir. Tek tesirli ve çift tesirli bindirme bağlantılarının çekme yükü altında farklı davrandıklarını göstermek için, her iki bindirme bağlantısı için gerilme dağılımları ve deformasyonları incelenmiştir. Çift tesirli bindirmeli bağlantıların aksine, tek tesirli bindirme bağlantıları yükleme açısından daha dengesiz yapıya sahiptir. Bunun sonucu olarak, kritik bölgeler için tek tesirli bindirme bağlantılarında daha yüksek gerilme değerleri ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle, araştırmada tek tesirli bindirme bağlantılarında, gerilme yığılmalarının azaltılması üzerine yoğunlaşılmıştır. Ayrıca, yapışkan üzerindeki kritik bölgelerde yüksek gerilmeleri azaltıcı ve yapışkan üzerinde daha üniform bir gerilme dağılımı sağlamak amacıyla yöntemler önerilmektedir. Bu yöntemlerinden ilki ve tezin temel araştırma konusu olan, yapışkan desen ve rijitliğinin gerilme dağlımı üzerindeki etkileri ayrıntılı olarak ela alınmıştır. Farklı yapışkanlar, bunlar düşük elastiklik modülüne sahip yapışkanlar, genel endüstriyel uygulamalarda kullanılan orta elastiklik modülüne sahip yapışkanlar ve yüksek elastiklik modülüne sahip daha rijit yapışkanlardır, farklı desen ve geometriye sahip modeller sonlu elemanlar yöntemi ile ABAQUS programında oluşturulmuştur. Referans alınan temel model ile beraber birbirinden farklı beş adet konfigürasyon incelenmek üzere oluşturulmuştur. Baz alınan temel model ile beraber tüm modeller için sınır şartları, yapıştırılan kompozit parçanın toplam kalınlıkları, her bir tabakaya ait kalınlık, oryantasyon ve tabaka yerleşimi, fiber açıları, malzeme özellikleri, yapışkan kalınlıkları ve uygulanan kuvvetler aynıdır. Ancak beş adet konfigürasyonda, yapışkanın malzemesi, yapışkan desenleri ile beraber farklı yumuşak-sert yapışkan oranları oluşturularak analizler gerçekleştirilmiştir. Bu farklı yumuşak-sert yapışkan oranlarına sahip modeller ile kritik bölgelerdeki gerilme dağılımları değişimin incelenmesi amaçlanmakla beraber en uygun yumuşak-sert yapışkan oranına sahip model belirlenmeye çalışılmıştır. Farklı yapışkan ve desene sahip tüm konfigürasyonlarda, elastik modülü daha düşük olan yapışkan (yumuşak yapışkan) bindirme bölgesi uçlarına belli desen ile yerleştirilirken, elastik modülü daha yüksek olan yapışkan (sert yapışkan), bindirme bölgesinin merkezine konumlandırılmıştır. Bu şekilde yerleştirilmesinin başlıca sebebi; temel alınan model incelendiğinde, bindirme bölgesi uçlarında gerilmelerin yüksek olmasına paralel olarak deformasyonlarında bu bölgelerde daha fazla ortaya çıkmasıdır. Deformasyonların daha fazla olduğu bölgelerde elastik modülü daha düşük yapışkan kullanılarak yapıya belli ölçülerde esneklik kazandırılıp, gerilme yığılmalarının önüne geçilmeye çalışılmıştır. Bu uçlarda kullanılan yumuşak yapışkanların yapının mukavemetini azaltıcı yöndeki etkisini minimize etmek adına, bindirme bölgesi merkezinde ortalama yapışkan türlerine göre daha yüksek elastik modülüne sahip yapışkan kullanılmıştır. Tüm modeller için gerçekleştirilen sonlu elemanlar analizleri sonucunda, temel alınan model için beklenildiği üzere maksimum soyulma ve kayma gerilmeleri yapışkan uç bölgelerinde ortaya çıkmaktadır. Gerilme yığılmalarının değişimini incelemek adına farklı desen ve farklı yapışkanlar bir araya getirilerek oluşturulan sonlu elemanlar model konfigürasyonlarında ise, bindirme bölgesi uçlarında hem soyulma gerilmeleri hem de kayma gerilmeleri için, farklı konfigürasyonlara göre değişmekle birlikte yaklaşık olarak ortalama %25 ile %50 aralığında gerilme yığılmalarında düşüş gözlemlenmiştir. Daha kapsamlı incelemek adına tüm modeller için, yapışkanın merkezinden geçen bir çizgi boyunca hem soyulma hem de kayma gerilmelerinin değişimi, grafik olarak çizdirilmiştir. Bunun yanında sadece bir doğru üzerinde gerilmeleri incelemenin yeterli olmayacağı düşünülerek, MATLAB programı aracılığı ile analiz sonuçları işlenerek yapışkanın yüzeyindeki gerilme değişimi üç boyutlu olarak gösterilmiştir. Bu çizdirilen grafiklere göre, temel alınan modelde gerilme yığılmalarının meydana geldiği bindirme bölgesi uçlarında, soyulma gerilmeleri 50 MPa ve kayma gerilmeleri 40 MPa civarı ortaya çıkmaktadır. Aynı şekilde, farklı yapışkan ve desen konfigürasyonları için gerilme yığılmalarının gözlemlendiği bindirme bölgesi uçlarında, soyulma gerilmeleri 30 MPa ve kayma gerilmeleri 20 MPa civarı ortaya çıkmaktadır. Ayrıca, özellikle kayma gerilmesinde bindirme bölgesinin iç kısımlarında temel alınan modele göre daha yüksek gerilme değerleri ortaya çıktığı gözlemlenmiştir. Temel alınan modelde bindirme bölgesinin iç kısımlarında yaklaşık olarak 5 MPa civarı kayma gerilmesi gözlenmesine karşın, farklı yapışkan ve desen konfigürasyonlarında 25 MPa civarı gerilmeler ortaya çıkmaktadır. Böylece, yapışkan üzerinde daha uniform bir gerilme dağılımı elde edilmiştir. Tüm konfigürasyonların soyulma ve kayma gerilmeleri birbirleri ve baz alınan temel yapışkan model ile karşılaştırılmıştır. Gerilme değerlerinin düşürülmesi adına önerilen bir başka yöntem konik yapıya sahip yapıştırılan plaka modeli ile bindirme bölgesinden taşırılmış yapışkan modelleridir. Her iki modelde tek tesirli bindirme bağlantılı olarak temel alınan model ile aynı sınır şartları, tüm modeller için aynı yapışkan ve yapıştırılan plakalar kullanılmıştır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta, konik yapılı yapıştırılan plaka, bindirme bölgesi ucunda 30° lik açı verilerek oluşturulmuştur. Yapının mukavemeti için, en uygun olan açının belirlenmesi adına literatürde birçok çalışma yapılmıştır. Diğer model olan taşırılmış yapışkan modelinde ise, bindirme bölgesi her iki uçunda yapışkan 60° lik açı ile yapıştırılan plakaların alınlarına tutturularak, yapıştırma yüzeyi alanı artırılmıştır. Yapının mukavemeti için, en uygun olan açının belirlenmesi adına literatürde birçok çalışma yapılmıştır. Bu bakımdan, her iki model için de açıların gerilmeler üzerinde önemli bir faktör olduğu söylenebilir. Daha kapsamlı incelemek adına tüm modeller için, yapışkanın merkezinden geçen bir çizgi boyunca hem soyulma hem de kayma gerilmelerinin değişimi, grafik olarak çizdirilmiştir. Bunun yanında sadece bir doğru üzerinde gerilmeleri incelemenin yeterli olmayacağı düşünülerek, MATLAB programı aracılığı ile analiz sonuçları işlenerek yapışkanın yüzeyindeki gerilme değişimi üç boyutlu olarak gösterilmiştir. Bu çizdirilen grafiklere göre, temel alınan tek tesirli bağlantılı modelde gerilme yığılmalarının meydana geldiği bindirme bölgesi uçlarında, soyulma gerilmeleri 45 MPa ve kayma gerilmeleri 36 MPa civarı ortaya çıkmaktadır. Konik yapıya sahip yapıştırılan plaka modelinde yine gerilme yığılmaları aynı şekilde bindirme bölgesi uçlarında olmakla beraber, soyulma gerilmesi 38 MPa ve kayma gerilmesi 33 MPa civarı gözlenmektedir. Temel alınan modele göre çok az miktarda gerilme yığılmalarında düşüş gözlenmiştir. Burada, yapıştırılan plakanın koniklik açısının daha fazla olacak şekilde seçilmesi, gerilme yığılmasında daha çok düşüşe sebep olacağı literatür araştırmaları sonucunda varılmıştır. Taşırılmış yapışkan modelinde yine gerilme yığılmaları aynı şekilde bindirme bölgesi uçlarında olmakla beraber, soyulma gerilmesi 14 MPa ve kayma gerilmesi 23 MPa civarı gözlenmektedir. Temel alınan ve konik yüzeye sahip yapıştırılan plaka modellerine göre soyulma gerilmesi için %60, kayma gerilmesi için ise %35 civarlarında gerilme yığılması düşüşleri olmaktadır. Burada değinilmesi gereken önemli bir diğer nokta, her üç model için bindirme bölgesi merkezi civarında birebir aynı olacak şekilde sıfıra yakın gerilme değerleri gözlemlenmiştir. Son olarak, fiber açıları değişiminin gerilme dağılımı üzerindeki etkisi incelenmiş ve tüm modeller birbirleri temel alınan tek tesirli bindirme model ile beraber karşılaştırılmıştır. Yapışkan üzerindeki gerilme dağılımı ve gerilme analizi sonuçlarının, fiber açısı değişiminden ile önemli derecede etkilendiği gözlemlenmektedir. Tüm konfigürasyonlar için kompozit yapısındaki katmanlar ortotropik elastik malzeme yerine literatür araştırmaları sonucu yapılan düzlem gerinim yaklaşımı çerçevesinde, tek yönlü tabakalar için uygulanan enine izotropik malzeme modeli kullanılmıştır.

Özet (Çeviri)

Adhesively bonded composite joints have attracted considerable attentions in industrial applications due to notable advantages such as, easy integrated manufacturing, low mounting weight, minimal stress concentration, smooth load transfer, and excellent fatigue and damage tolerance performances. However, the joints are potential weakness under load conditions due to discontinuities of structures. In adhesively bonded joints structures, stress concentrations are occurred both ends of the adhesive regarding to both literature and performed finite element model analysis stress results. The stress concentrations in all mechanical systems should be prevented and provided uniform stress distribution due to durability of the structures. In this study the single lap joints and double lap joints are investigated at first. Stress distributions and deformations of both joints are discussed and presented in order to reveal difference behavior of the single lap joint and double lap joint. Unlike the double lap joints, the single lap joints have unbalanced structures. As a results of this, the higher stress levels are observed at critical regions in the single lap joints. Therefore, the research concentrates on the single lap joints and reductions of the stress concentrations. The study suggests several ways to minimize the peak stress levels in the critical regions and provides more uniform stress distributions on the adhesives. The pattern and rigidity effects of adhesive on the stress distribution are examined in details. The different adhesives which are ductile (low elastic modulus according to the general adhesives), general (normal elastic modulus for adhesives) and brittle adhesives (high elastic modulus according to general adhesives) and different shape of adhesives patterns are generated and performed analyses via finite element method in ABAQUS. The general adhesive is used for only in master model. On the other hand, both ductile and brittle adhesives are used together in the other all configurations. Except master adhesive model, five different configurations are generated in order to realize the pattern and rigidity effects of the adhesive on the stress distribution. Due to revealing importance of the ratio of the ductile and brittle adhesive usage, different ratios of the ductile-brittle adhesive are used in the configurations. Three models of five have same adhesive pattern shape but different ratio of ductile-brittle adhesive usages. The other two models of five have also same adhesive pattern shape but different ratios of ductile-brittle adhesive usages, too. The purpose of different ratios of ductile-brittle adhesive usage is to define the most suitable configuration for stress reduction of the stress concentration regions. The ductile adhesive is used for overlap specific ends region due to minimizing stress concentration by the help of more flexible structure. On the other hand, the brittle adhesive is used for overlap specific center region for shifting stresses in center region of the overlap and enhancing durability of the structure. There is a balanced ratio of the ductile-brittle adhesive usage for strength of the adhesive bonding joints. In order to examine the stress concentrations changes for different adhesive and shapes, the finite element models for each configuration are generated and analyzed. All models' peel and shear stresses are compared with the general master adhesive model and each other. As it is expected the maximum stress for both peel and shear stress are observed both ends of the adhesive for master adhesive model. On the other hand for both peel and shear stress levels of center region of overlap are almost zero, unlike the stress concentration region where both peel and shear stress levels are around 50 MPa and 40 MPa, respectively. The stress reduction of the critical regions for different adhesives and pattern shapes models are varied 25% to 50% according to master adhesive model. Both peel and shear stress levels are around 30 MPa and 20 MPa, respectively for adhesive shape models. On the other hand, center region of the overlap, especially the shear stress levels are around 25 MPa. The shear stress levels are around 5 MPa for the same region of master model. The stress concentration regions shift towards the center region of the overlap. Therefore, the more uniform stress distributions can be obtained. The other way to decreasing stress levels is taper adherends model and spew fillet model. Both models are examined in details and compared each other and master single lap joint model. Especially, the low stress levels in critical regions on the spew fillet model are observed according to master single lap joint and taper adherends model. Finally, the fiber angles effects on the stress distributions of the adhesives are investigated and compared each other and master single lap joint model. The stress analysis results and stress distributions on the adhesives are effected significantly by fibers angles changing. According to the orthotropic elastic mechanics theory and plane strain assumption, composite plies in all models are generated via the equivalent engineering constants which are obtained only by the material properties of unidirectional composites.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    535930

    Düşük dayanımlı betonarme yapılarda kolon-kiriş birleşim bölgelerinin deprem performansının deneysel olarak incelenmesi

    Experimental investigation on the seismic performance of beam-column joints in low-strength reinforced concrete structures

    ATAKAN MANGIR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TURGAY ÇOŞGUN

  2. Tez No

    293492

    Parkinson hastalığı sıçan modelinde nikotinin premotor faza etkileri

    Nicotine effects in rat model of parkinson's disease premotor phase

    ELİF SARICA DAROL

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    NörolojiKocaeli Üniversitesi

    Nöroloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. PERVİN KUTLUAY İŞERİ

  3. Tez No

    530793

    Denim kumaşların dokunsal konforunun analizi ve geliştirilmesi

    Analysis and improvement of tactile comfort of denim fabrics

    NAZLI ÜREN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mühendislik BilimleriDokuz Eylül Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE OKUR

  4. Tez No

    467171

    Numerical investigation of hydrodynamic effects of waves caused by landslide in dam reservoirs

    Toprak kayması sonucu oluşan dalgaların baraj haznesinde oluşturduğu hidrodinamik etkilerin nümerik olarak araştırılması

    VAFA KHOOLOSI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI

  5. Tez No

    540240

    Taşıyıcı sistemi beton dolgulu kompozit kolonlar içeren dışmerkez çaprazlı çerçevelerden oluşan bir binanın tasarımı ve doğrusal olmayan analizi

    Design and nonlinear analysis of a building with eccentrically braced frames having steel-concrete composite columns

    OĞUZCAN HADİM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CÜNEYT VATANSEVER

Geri Dön