Geri Dön

Numerical and experimental investigation of the impact performance of 3d lattices with negative poisson's ratio

Negatif poisson oranlı 3 boyutlu latislerin çarpma dayanıklılığın deneysel ve sayısal incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 513417
  2. Yazar: ALTUĞ ATAALP
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 85

Özet

Poisson orani, temel malzeme özelliklerinden olup, malzemenin herhangi bir yükleme altında nasıl tepki verdiğini göstermektedir. Temel olarak iki farklı eksendeki gerilmenin negatifine eşittir. Geleneksel malzemelerde bir eksende uzama olduğunda diğer eksenlerde küçülme gözlendiğinden, formüldeki eksi ifadesi ifade kolaylığı sağlamaktadır. Ayrıca, farklı kombinasyonlardaki eksenler için poisson değerleri bulunabilir (x-y,x-z,y-z). Ökzetik(Ing. Auxetic) kelimesi Poisson oranı negatif olan malzemeleri ifade etmektedir. Geleneksel malzemelerin aksine kendine has bir geometrik şekle ve malzeme özelliklerine sahip olması, ökzetik malzemeleri ilgi odağı haline getirmiştir. Örneğin çekme kuvvetine maruz kalan bir cismin boyu kuvvetin uygulandığı eksen boyunca uzarken, diğer yönlerde kısalmaktadır. Bu da, poisson oranının tanımından ötürü pozitif bir orana sebep olmaktadır. Ökzetik malzemelerde ise bu durum tam tersidir. Çekme kuvvetine maruz kalan ökzetik bir malzeme hem kuvvetin uygulandığı yönde hem de diğer yönde genişlemektedir. Basma kuvveti altında ise kuvvetin uygulandığı yönde ve diğer yönlerde küçülmektedir. Kısaca ökzetik malzemeler, kuvvetin uygulandığı eksenden bağımsız olarak çekme kuvveti altında genişlemekte, basma kuvveti altında genişlemektedir. Ökzetik malzemelerin avantajı tek bir fiber tanesi düşünüldüğünde daha iyi anlaşılacaktır. Pozitif poisson orana sahip (geleneksel özelliklere sahip) bir fiber çekme kuvvetine maruz kaldığında eksenel yönde daralacak ve epoksiden ayrılmaya başlayacaktır. Fakat ökzetik bir fiber cekmeye maruz kaldığında eksenel yönde de genişleyecek ve epoksiye daha iyi tutunarak kaymalara ve ayrılmalara engel olacaktır. Böylelikle daha dayanıklı bir kompozit elde edilmiş olacak ve daha yüksek şiddetteki kuvvetlere dayanabilecektir. Oldukça yenilikçi olan bu konuda deneysel incelemelerin yapılması malzeme araştırmaları alanında oldukça ilgi cekmektedir. Ökzetik malzemelerin kendine has benzersiz malzeme özelliklerinden faydalanarak yenilikci ürünler üreterek askeri, savunma, ve havacılık alanlarında kullanılması oldukca olasıdır. Özellikle mermi ve ani basınç yüklemelerine karsi eksen ici ve eksen disi carpma dayanikliliklari bu tez calismasinda da detayli olarak incelenmektedir. Negatif poisson oranına sahip malzemeler doğada nadir olarak bulunmakla birlikte, genel olarak insanlar tarafindan üretilmektedir. İnsan yapımı negatif poisson oranlı malzemeler, tüm ökzetik malzemeler arasında büyük çoğunluğu oluşturmaktadır ve geleneksel (pozitif poisson oranlı) bir malzemenin geometrisinin özel olarak tasarlanıp değiştirilerek ökzetik malzemeye çevrilmiş halidir. Bu malzemeler için maalesef geleneksel üretim yöntemleri kullanımı pratik değildir. Gelişen teknoloji ve üç boyutlu yazıcıların yaygınlaşması ile kolaylaşan üretim teknikleri, karmaşık geometrilerin üretilmesine de olanak tanımıştır. Bu çalışmada da ökzetik malzemelerin üretimi Infotron marka üç boyutlu yazıcıda yapılacaktır. Üç boyutlu yazıcıdan üretilecek olan numunelerin bilgisayar kullanarak sayısal analizini yapmak deneysel ve sayısal değerlerin karşılaştırılmasına da olanak sağlamaktadır. Ayrıca üç boyutlu yazıcı sayesinde bilgisayarda analizi yapılan xxvi parçanın birebir aynısının üretimi yapılabilmekte ve böylelikle bilgisayar analizi ile deneysel sonuçların karşılaştırılması yapılabilmektedir. Bu çalışmanın birinci bölümünde Ökzetik malzemeler ile ilgili genel bir bilgi verilmiş, daha önceden yapılan çalışmalardan bahsedilmiştir. Ökzetik malzemeler, kendilerine has deformasyon mekanikleri sayesinde çok farklı araştırmanın konusu olmuşlardır. Bu araştırmalar ve genel olarak Poisson oranı hakkında bilgilendirilme yapılmıştır. İkince bölümde ise, bu çalışma kapsamında yapılan sayısal analizler anlatılmıştır. Kullanılacak olan malzemelerin tasarımları, sayısal analizin yapılacağı programın tanımı ve sayısal modellerin bu programa aktarımlarından bahsedilmiştir. Sayısal analizin yapılması için gerekli olan bilgiler sırasıyla verilmiştir. Bu bilgilerden bazıları kullanılan parçaların eleman ve düğüm sayıları, parçaların birbiri arasındaki ilişki bilgileri, kullanılan malzeme özelliklerinin tanımlanması, ve çarpma etkisi için kullanılan parçanın hız bilgilerinin ve özelliklerinin tanımlanmasıdır. Üçüncü bölümde öncelikle var olan test sistemleri tanıtılmıştır. Daha sonra bu çalışma için gerekli olan ve test sistemine entegre edilebilecek parçaların tasarımı ve bu parçaların üretimi gösterilmiştir. Daha sonra darbe testi anlatılmaya başlanmıştır. Darbe testi için kullanılması gereken alüminyumun kalınlık değerinin bulunması ve bu değer bulunduktan sonra üretilen numunelerin alüminyum ile kaplanması gösterilmiştir. Daha sonra numuneler test düzeneğine bağlanarak atışlar gerçekleştirilmiş ve gerekli değerler elde edilmiştir. Bu atışlar sayısal analiz sonuçları ile karşılaştırılarak analizlerin doğrulanması yapılmıştır. Üretilecek ökzetik malzemeler öncelikle bilgisayar ortamında üç boyutlu olarak oluşturulmuşlardır. Bilgisayar ortamında Ls-Dyna analiz programı kullanılarak deneysel olarak test edilen numuneler için analizler yaptırılmıştır. Analizler farklı parçacık hızları, farklı kabuk kalınlıkları, ve farklı sayıdaki dış katman sayıları için tekrarlanmış ve incelemeler yapılmıştır. Analizler sonucu bulunan değerler yapılan testlerle karşılaştırılmıştır. Bilgisayar ortamında analizi yapılan numuneler üretilerek deneysel testleri de yapılmış ve çıkan sonuçlar literatür ve analiz sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Bilgisayar analizleri ve deneysel sonuçların doğruluğu açışından öncelikle kullanılan malzemelerin kupon testleri yapılmıştır. ASTM standartlarında belirtilen standartlara göre numuneler hazırlanarak gerekli testler yapılmış ve malzeme özellikleri elde edilmiştir. Daha sonra bu malzeme özellikleri bilgisayarlı analiz için temel özellik olarak kullanılarak analizler güncellenmiştir. Böylelikle deneylerde kullanılan malzemelerin özellikleri tam olarak öğrenilmiş ve bilgisayar analizleri gerçeğe yaklaştırılmıştır. İlk olarak yapılan darbe analizinde üç farklı geometri kullanılarak farklılıkları ortaya konmuştur. Penetrasyon mesafesi, darbe yüklemesi için oldukça önemli bir konudur. Kritik durumlar için mesafe ölümcül olabilir ve mümkün olduğunca küçük bir nüfuz mesafesini korumak, darbe yüklemesi araştırmaları için ana konudur. Parçacık, bal peteği çekirdeğinde, reentrant çekirdekten daha fazla mesafe kat etmiştir. Ek olarak, darbe yükü sırasında meydana gelen maksimum stres değeri, balpeteği için daha yüksektir. Darbe yüklemesi için bir diğer önemli konu, malzemenin belirli bir deformasyon değeri altında kalması için daha az stres değerine sahip olmasıdır.Reentrant geometride daha küçük maksimum stres değerine sahiptir. Bu da reentrant geometrinin daha dayanıklı olduğunu göstermektedir. Ezme testi, numunenin ezilme direncini görmek için önemlidir. Ayrıca bu testin en önemli beklentisi, ökzetik malzemenin sıkışma etkisini görmektir. Kendilerine uygulanan bir basma yüklemesi olduğunda, ökzetik malzemelerin genişlemek yerine daralarak sıkılaşması beklenmektedir. Bu olgu, birinci bşlümde girinti direncinin yardımıyla açıklanmaktadır. Ezme testi için bir reentrant ve bir anti tetrachiral numune hazırlanmıştır. Her iki numune de 4 mm uzunluğunda ve 4 mm genişliğinde ve 5 mm kalınlığındadır. Her iki geometrinin de zamanla daha sıkılaştığı görülmüştür. Bu sadece malzemenin üzerine uygulanan basma kuvveti etkisinden kaynaklanmamaktadır. Ökzetik malzemelerin kendine has olan geometrisi dolayısıyla kaynaklanmaktadır. Anti-tetrachiral formda ökzetik etki daha belirgindir. Zaman geçtikçe, hücreler arasındaki boşluklar küçülmüştür ve numunenin genişliği azalmıştır. Bu etki, malzemenin daha güçlü olarak daha yüksek kuvvete dayanmasına yardımcı olmuştur. Yapılan testler karşısında umut vaat eden bir görüntü sergileyen ökzetik malzemelerin uygulanabileceği çok değişik alanlar bulunmaktadır. Örneğin kurşun geçirmez yelek üretiminden tanklara, hava-uzay yapılarında koruyucu ek katman olarak kaplanmaya kadar değişik bir skalada uygulama alanı vardır. Özellikle havacılık alanındaki malzeme arayışına da cevap verebilecek bir malzemedir. Geleneksel malzemelerin aksine alışılagelmemiş bir deformasyon mekanizması olması ökzetik malzemeleri çekici yapmaktadır. Örneğin farklı koşularda farklı yüklemelere maruz kalan bir uçak parçası için ökzetik malzeme kullanılarak bir tasarım yapılabilir, veya geleneksel malzemeyle birlikte kullanılarak her türlü yükleme durumuna karşı daha güçlü hale getirilebilir.

Özet (Çeviri)

Poisson's ratio is simply the ratio between strain values of any two directions. The Poisson's ratio tells many things about the deformation behaviour of the material and what should be expected from material under specific loading conditions. Generally materials have Poisson's ratio between 0 and 0.5, mostly around 0.3. The negative sign in front of the formula causes conventional materials to have positive value. Conventional materials tend to expand in the transverse direction when they are under compressive loading in longitudinal direction. Also, they shrink in the transverse direction when they are under tensile loading in longitudinal direction. However, these load applications are just the opposite for the auxetic materials. They shrink when they are compressed in any direction, and they expand in all directions when pulled in any direction. This causes auxetic materials too have negative Poisson's ratio. Normally there are not too many natural auxetic materials. There are only few examples such as, some ligaments of muscles and joints, tooth gum of some animals. Most of the auxetic materials are man made. Even if the raw material has positive Poisson's ratio, auxetic material can be produced from it. Generally, unique geometry is used to create auxetic material. Without the improving technology, the production of the complex shapes would be so hard to process. For this thesis study, 3D printer is used to produce complex and complicated geometries. Also, the technical devices are designed and produced according to the needs. In this study, two auxetic and one conventional geometries are used. First they are designed in CAD software programme and then analysed in finite element programme. After obtaining required knowledge about their strengths and weaknesses, these geometries are produced from 3D printer. Then impact tests and edge crush tests are performed on them to see their responses. Comparison between numerical analyses and experimental results are done. The importance and promising features of auxetic materials are detailly analysed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    635490

    Numerical and experimental investigation on the crushing behaviour of auxetic lattice cells produced with additive manufacturing techniques

    Eklemeli imalat teknikleri ile üretilmiş ökzetik kafes yapıların ezilme davranışlarının nümerik ve deneysel olarak incelenmesi

    KADİR GÜNAYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ANTONIO MATTIA GRANDE

  2. Tez No

    605301

    Experimental and numerical investigations of effect of a heat pipe in the metal hydride tank for the hydriding process

    Metal hidrit tankında ısı borusunun hidrürleme işlemine etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    FAWZI ALI MOHAMED ELHAMSHRI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    EnerjiKarabük Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUHAMMET KAYFECİ

  3. Tez No

    439585

    Eksenel gaz türbini kanat ucu geometrisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile aerotermal tasarımı

    Aerothermal design of axial gas turbine blade tip using computational fluid dynamics

    CEM BERK ŞENEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU

  4. Tez No

    402984

    Design and analyses of porous concrete for safety applications

    Başlık çevirisi yok

    AYDA ŞAFAK AĞAR ÖZBEK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    İnşaat MühendisliğiTechnische Universiteit Delft (Delft University of Technology)

    PROF. DR. K. VAN BREUGEL

  5. Tez No

    877017

    Katmanlı imalat süreçlerinde plastik malzemelerin ısı altındaki davranışı ve üretime etkisi

    Thermal behavior of plastics during additive manufacturing process and impact of production parameters

    BÜRYAN TURAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ

Geri Dön