Structural design and analysis of an impact resistant auxetic metamaterial
Darbe dayanım özellikli auxetic metamalzemenin yapısal tasarımı ve analizi
- Tez No: 664095
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MESUT KIRCA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Geçmişten günümüze, yüksek mukavemet, darbe sönümleme özelliği, hafiflik ve dokuya uyum gibi üstün özelliklere sahip malzeme geliştirerek ya da mevcut malzemeyle özgün tasarımlar yaratarak hedeflenen performansı elde etmek amaçlanmıştır. Bu neticede, gözenekli yapılar, sandviç yapılar gibi beraberinde getirdiği düşük yoğunluk yüksek mukavemet özellikli tasarımlar üzerinde havacılık, otomotiv, spor müsabakaları ve askeri uygulamalarda çalışılmıştır. Mühendislikte bilgisayar kullanımının artması, malzeme teknolojisinin gelişmesi ve yeni üretim yöntemlerinin ulaşılabilir olması tüm endüstrilerde daha yüksek başarı oranlarının elde edilmesini sağlamıştır. Özellikle savunma sanayiinde milletlerin daha üstün özellikli ürünleri ortaya çıkartma yarışında mühendislik büyük rol oynamıştır. Ayrıca spor müsabakalarında daha yüksek performansların elde edilmesi için yüksek başarımlı hesaplamalı bilim dallarından faydalanılarak daha önce elde edilmemiş başarılar mümkün kılınmıştır. Son 30 yıl içerisinde, malzeme teknolojisinin geliştirilmesinin yanı sıra tasarım özelinde yapılan çalışmalarda da mühendislik veriminin ve performansının daha hafif yapılarda elde edilmesi sağlanmıştır. Bu tezin de konusu olan darbe dayanımı için geliştirilen yeni tasarımlar üzerindeki araştırmalar her geçen gün daha da artmaktadır. Günümüzde akıllı malzemelerin geliştirilmesi temel olarak hem mikro hem de makro ölçeklerde malzeme tasarımının değiştirilmesi ile gerçekleştirilmektedir. Örnek olarak uzay çalışmalarında aynı son ürün ile birden çok fonksiyonelliğe sahip mekanizmalar üzerinde çalışılmaktadır. Metamalzemeler bu alanda araştırmaların odağındadır. Özellikle darbe sönümleme alanında gösterdiği üstün performans auxetic malzemeleri mühendis ve tasarımcılar için son yıllarda vazgeçilmez kılmıştır. Auxetic malzemeler negatif Poisson's oranı (NPR) özelliği gösteren ender malzemelerdendir. Literatürde bilinen malzemelerin aksine çekme uygulandığında yanal kesitte kalınlaşma; basma uygulandığında yanal kesitte daralma tepkisi veren malzemelerdir. Bu sayede darbe uygulama yönünde normal şartlarda etki yönünden uzaklaşmaya çalışan malzemeler Auxetic tasarım ile etki doğrultusuna doğru bir yoğunlaşmak gösterir. Bu davranış yapının darbe sönümleme enerjisi etkinliğini artırır. Bu tezde auxetic malzemelerin literatürde yapılmış olan tasarım çalışmalarından farklı olan özgün bir tasarım yaratmak amaçlanmıştır. Özgün tasarım oluşturulmadan önce literatürdeki çalışmalarda en çok kullanılan yeniden girişli(re-entrant) ve kiral (chiral) yapıdaki metamalzemelerden ilham alınmıştır. Kiral auxetic metamalzeme, ayna görüntüsünde üst üste konulamayan bir geometriye sahip olan auxetic malzemenin bir alt ailesidir. Yeniden girişli petekler veya periyodik gözenekli malzemeler gibi simetrik yardımcı malzemelerle karşılaştırıldığında, kiral malzemeler deterministik kullanıma sahiptir ve bu nedenle, hem küçük hem de büyük deformasyonlarla üretim hataları altında daha sağlam yardımcı etkilere sahip olmaları beklenir. Yenilikçi tasarımlar aracılığıyla, mevcut kiral auxetic metamalzemelerin veri tabanı önemli ölçüde genişletilmiştir; yeni mekanik özelliklerin ve davranışların keşfini hızlandırılmıştır. Ayrıca, genişletilmiş veri tabanı, klasik süreklilik teorisi içinde veya ötesinde gelişmiş yapısal modellerin geliştirilmesini sağlar. Bu sebeple özgün tasarım salt yeniden girişli auxetic malzeme oluşturmak yerine kiral yapının da etkisi dahil edilmiştir. NPR özelliği malzemesel değil geometri değişiminden ortaya çıktığı için gelecekteki özgün tasarımlar için de bir örnek oluşturulmak istenmiştir. Özgün tasarım oluşturulmadan önce doğadaki çeşitli yapılar incelenmiştir. Bunun dışında çeşitli uygarlıkların mimari eserlerindeki şekillerden esinlenilmiştir. Tasarım faaliyetleri süresince Siemens NX12 bilgisayar destekli tasarım yazılımı kullanılmıştır. İlk özgün tasarım oluşturulduktan sonra geometri değişiminin yapının mekanik davranışlarında nasıl bir etkiye sahip olduğunun gözlenmesi için değişik üç parametre ile tasarım çeşitlendirilmiştir. Mekanik davranışlar karşılaştırmalı olarak sunularak hangi parametrenin hangi özelliğe daha çok etkisi olduğu paylaşılmıştır. Bu çalışma kapsamında topoloji optimizasyonu yapılmamıştır. İleriki çalışmalarda kütle optimizasyonu yapılarak özgün tasarımın birim kütle başına düşen mekanik özelliklerindeki belirgin artış hedeflenecektir. Teknolojinin gelişmesiyle beraber artık malzemenin azaltılması, daha az enerji kullanılarak aynı final ürünün daha karmaşık geometrilerde elde edilmesinde olanaklar artmıştır. Tasarım belirlendikten sonra literatürdeki çeşitli malzemeler araştırılmıştır. Özellikle günümüzde eklemeli imalat açısından kolaylıkla üretilebilen malzemelerin seçilmesi hedeflenmiştir. Üretim yöntemi çeşitlerine ayrıca değinilmiştir. Eklemeli imalatta çeşitli üretim yöntemlerinin parametrelerinin son yapıya olan mekanik özellik etkisini değiştireceği vurgulanmıştır. Gelecekteki çalışmalarda özgün tasarımın numerik analiz sonucuyla test sonucunun araştırılması gerektiği vurgulanmıştır. Ayrıca üretim yöntemlerinin farklılıkları sonucu ortaya çıkacak farklı mekanik özelliklerin de araştırılması gerektiği belirtilmiştir. Özgün tasarımın birim hücresi belirli parametrelerle tasarlanmıştır. Bu parametrelerin değişiminin etkisi ayrıca belirtilmiştir. Özellikle darbe uygulamalarında fayda sağlamak için birim hücre çeşitli yönlerde çoğaltılmış ve sandviç bir yapıda çekirdek özelliği göstermesi amaçlanmıştır. Bu tasarım adımları yapılırken NPR özelliği korunmuştur. Özgün yapının sandviç yapı içerisinde kullanılması ile hierarlik yapının birleşik yapı içerisindeki davranışını görmek amaçlanmıştır. Ayrıca gerçek bir uygulamada kullanılması durumunda (uçak kanat kesiti, koruyucu kask iç yapısı vs.) bu özgün hiyerarşik yapının ayrıca bu yapılarda modellenmesi gerekmektedir. Özgün tasarım aşamasından sonra yapının mekanik özellikleri Sonlu elemanlar metoduyla (SEM) analiz edilmiştir. Nümerik analizler Ansys v2020 ticari yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda çekme, basma yönlerinde yer değiştirmeler uygulanmıştır. Bunların sonucunda da kesitteki deformasyon yönü ve miktarı belirtilmiştir. Tüm bu nümerik çalışmalar karşılaştırmalı olarak grafiklerde sunulmultur. Hesaplamalı modellerde çekme ve basma yönlerindeki etki kuvvet yerine yer değiştirme kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu sayede yapıda belirgin deformasyonların oluşturulması sağlanmıştır. Bunun yanı sıra özgün auxetic yapı içerisinde bulunan basma esnasında temas edebilecek yüzeylerde temas yüklerinin aktarılabilmesi için özel eleman tipleri tanımlanmıştır. Bunun sonucunda yapıda iç içe geçmeler engellenmiştir; gerçekçi sonuçlar elde edilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca yapının darbe enerjisi sönümleme kapasitesi de incelenmiştir. Çeşitli hızlarda alınan darbe sonuçları neticesinde özgün yapının özgül sönümleme enerjisi ortaya çıkarılmıştır. Darbe analizleri sandviç yapıya ilaveten üst plaka hizasında 20 mm mesafede ek plaka ile gerçekleştirilmiştir. Bunun yapılmasının sebebi yapının enerji sönümleme esnasında çarpma ve geri sekme fiziksel durumlarının da yansıltımak istenmesidir. Darbe analizi ile yüksek miktarda şekil değişimi olması istemiştir ve gerçekte bu durumun olması halinde yapının feda edilmesi gerektiği ön görülmüştür. Bu sonuçlar, yeni auxetic yapı-özellik ilişkilerinin yeni temel anlayışını ve potansiyel havacılık ve savunma teknolojisi ürünleri için hibrit petek yapılarının sağlanması açısından önem taşımaktadır. Özgün tasarımların ileride daha da yaygılaşması beklenmektedir. Mühendislik tarihinde doğadan ve canlı yapılardan alınan ilhamlarla birden çok devrimsel buluşlara şahit olunmuştur. Doğayı taklit etmek özgün tasarımların yaratılması açısından bir intihal değil; aksine yeni buluşlara kapı açmak demektir. Bu tez çalışması kapsamında literatüre kazandırılmış olan özgün auxetic meta-malzemenin ileride matematiksel optimizasyon yöntemleri de kullanılarak yapının ağırlığının azaltılması ve mukavemetinde kayıp yaşanmaması amaçlanmaktadır. Optimizasyon sonucu yapıda karmaşık hierarşik yapının meydana gelmesi ön görülmektedir. Meydana gelecek hierarşik yapının katmanlı imalat yöntemleriyle üretilip test düzeneklerinde dayanımının ölçülmesi sonucu yapılan nümerik hesaplamaların da gerçeklenmesi amaçlanmaktadır.
Özet (Çeviri)
From past to present, it has been aimed to achieve to have superior performance in materials by developing the properties such as strength, impact resistance, lightness and adaptability to the texture. Generally, it has been succeeded by creating novel designs with the existing materials and/or the developments in the material science. As a result, low density and high stiffness designs such as porous structures and sandwich structures have been studied in aviation, automotive, sports competitions and military applications. Its superior performance especially in the field of shock absorption has made auxetic materials indispensable for engineers and designers. Auxetic materials are rare materials that show negative Poisson's ratio (NPR). Contrary to the materials known in the literature, thickening in the lateral cross-section when pulling is applied; they are the materials that react to contraction in lateral cross-section when applied to compression. In this thesis, it is aimed to create a novel design that is different from the previous design studies of auxetic materials in the literature. Since the NPR property is derived from the change of geometry, not the material, an example was created for original designs in the future. Various structures in nature were examined before the novel design was created. Apart from that, it was also inspired by the shapes in the architectural works of various civilizations. Computer aided design (CAD) software was used during the design activities. After the novel design was determined, various materials in the literature were searched. In particular, it is aimed to select materials that can be easily produced in terms of additive manufacturing (AM) today. Production method types are also mentioned. It was emphasized that the parameters of various production methods in additive manufacturing will change the mechanical property behaviour on the final structure. In future studies, it was emphasized that the test result should be investigated with numerical analysis of the novel design. It was also stated that different mechanical properties that will arise as a result of the differences in production methods should be investigated. The unit cell of the novel design was designed with specific parameters. The effect of changing these parameters is also stated. The unit cell has been reproduced in various directions, especially in order to benefit in impact applications. While doing these design steps, the NPR property is preserved. After the novel design creation phase, the mechanical properties of the structure were analyzed using the finite element method (FEM). In this context, displacements in tension and compression directions were applied. As a result of these, the direction and amount of deformation in the cross sections are specified. In addition, the impact energy absorption capacity of the structure was also examined. The specific damping energy of the novel structure was revealed as a result of the impact results obtained at various speeds. These results are important in providing a new fundamental understanding of new auxetic structure property relationships and hybrid honeycomb structures for potential aerospace and defense technology products. Novel designs are expected to become more common in the future. Multiple revolutionary inventions have been witnessed in the history of engineering with inspiration from nature and living structures. Imitating nature is not a plagiarism in terms of creating original designs; on the contrary, it means opening the door to new inventions. Within the scope of this thesis, it is aimed to reduce the weight of the structure and to prevent loss of strength by using mathematical optimization methods of the novel auxetic meta-material that has been added to the literature. It is anticipated that a complex hierarchical structure will occur in the structure as a result of optimization. It is aimed to realize the numerical calculations made as a result of the manufacturing of the hierarchical structure to be formed by additive manufacturing methods and measuring the strength in test rigs.
Benzer Tezler
- Deformation behavior of thin walled structures filled with auxetic and non-auxetic core materials
Ökzetik ve ökzetik olmayan dolgu malzemeli ince cidarlı yapıların deformasyon davranışı
FATİH USTA
Doktora
İngilizce
2021
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
PROF. DR. FABRIZIO SCARPA
- Ökzetik çekirdeğe sahip sandviç plakların parçacık etkili patlama yükü altında dinamik davranışı
Dynamic behavior of sandwich plates with auxetic core under particle induced-blast load
SERCAN BOSTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
- 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
2020
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ ANTONIO MATTIA GRANDE
- Patlama yükü etkisi altındaki çift perdeli gemi kompartımanının yapısal tasarımı ve analizi
Structural design and analysis of double-bulkhead ship compartment under blast load
BURAK CAN OCAKTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR DEMİR
- Doğrusal olmayan itme analizi yöntemi ile performans seviyesi belirlenen çelik bir yapının yapısal analizi
Structural analysis of a steel frame model analysed by nonlinear push over analysis based on performance based design criteria
DUYGU ALTINAĞAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN