Geri Dön

Mechanical behaviour of the composite sandwich plates under blast loading

Patlama yükü altındaki sandviç kompozit panellerin mekanik davranışının incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 676692
  2. Yazar: YUSUF SERDAR ODMAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 167

Özet

Malzeme seçimi, tüm mühendislik uygulamalarında önemli bir rol oynar. Malzemenin karakteristik özellikleri, pahası, çevre şartları ve uygulanma amacı malzeme seçimini etkileyen faktörlerdir. Gelişen teknoloji ile beraber, malzeme bilimi, mühendislik gereksinimlerini karşılamak, performansı arttırmak ve üretimi kolaylaştırmak için yeni, farklı malzeme tiplerine odaklanmıştır. Günümüzde, kompozit malzemeler daha mukavim, hafif, korozyona gösterdikleri dirençlerin fazla olması, yorulma ömürleri gibi birçok avantajlarından dolayı tercih edilmektedirler. En basit şekilde, kompozit malzemeler birbiri içerisinde çözülmeyen iki ve daha fazla malzemenin makro seviyede bir araya getirilerek oluşturduğu yeni bir yapı olarak tanımlanabilir. Bu yeni yapı, bileşenlerin kendi özelliklerinden daha farklı ve faydalı özelliklere sahiptir. Kompozit malzemeler matris ve fiber olmak üzere iki ana maddeden oluşurlar. Çeşitli form ve dizilimlerdeki fiberler yükü taşıyan ana yapılardır, matris ise çok daha zayıftır. Matrislerin görevi yük transferini sağlamak ve fiberleri çevre etkilerinden korumaktır. Kompozit malzemelerin günümüzde kullanımı oldukça yaygındır. Kompozit malzemelerin kullanım alanları arasında havacılık sanayi, inşaat, mimari, otomotiv sanayi, gemi sanayi, sağlık ve spor malzemeleri hatta müzik enstrumanları bulunur. Son yıllarda, sandviç yapıların kullanımları da oldukça artmıştır. Sandviç malzemeler, klasik malzemelere oranla yüksek dayanıma sahip olmaları ve hafif olmaları ve oldukça dayanıklı olmaları sebebiyle havacılık ve uzay sanayinden, otomotiv, denizcilik ve yapı endüstirisine kadar çeşitli alanlarda kullanıma uygun malzemelerdir. Sandviç yapılar aslında katmanlı kompozit malzemelerin özel bir türüdür. Sandviç yapılarda iki tane ince ve oldukça mukavim alt ve üst tabaka ve bu alt ve üst tabaka arasında çekirdek dediğimiz oldukça hafif ve görece kalın bir malzeme bulunur. Alüminyum alaşımlar ve kompozit malzemeler, sandviç yapının alt ve üst tabakası için en çok tercih edilen malzemelerdir. Bal peteği, köpük ve balsa başlıca çekirdik malzemeleridir. Kompozit balpeteği sandviç paneller, düşük yapısal ağırlıkve imalat kolaylığı sundukları için en çok tercih edilen yapılardan biridir. Sandviç plakaların çalışma prensibi, bir I kirişin mekanik davranışı baz alınarak anlaşılabilir. Yüzey tabakaların en altta ve üstte olmasının sebebi, kesitin ataletini arttırmak içindir. Alt ve üst katmanlar basma ve çekme yükünü karşılarken, çekirdek yapısı kayma yükünü karşılar. I kirişten farklı olarak, sandviçlerdeki çekirdek yapısı alt ve üst katmana sürekli bir destek sağlar ve düzlem dışı yükleme durumunda dahi alt üst katmanlar düzlemden sapmazlar. Eğer bir uçağın dış panellerinde bu yapı kullnılıyorsa, çekirdek yapının alt üst katmana sağladığı süreklilik sayesinde ekstra sürükleme kuvveti meydana gelmez. Ayrıca sandviç paneller basınç yükünün olduğu durumlarda sıkça kullanılır. Uygulamanın amacı doğrultusunda, sandviç yapıların alt ve üst yüzey tabakaları ile çekirdeğin malzemesi, geometrisi en uygun olacak şekilde seçilmelidir. Sandviç yapıların kullanım amacına göre tasarlanabilmeleri önemli bir avantajdır. Katmanlı kompozit plakaların ve sandviç yapıların kullanımı birçok endüstride artmaktadır. Bu kullanımın artışı ile birlikte, bu yapıların zamana bağlı yüklere maruz kalma durumunda dinamik davranışlarının incelenmesi önemli bir konu haline gelmiştir. Hava patlaması, kimyasal patlama, nükleer patlama, rüzgar ve ses patlamaları zamana bağlı yüklemelere örnek olarak verilebilir. Ses patlamaları, yakıttan kaynaklanan patlamalar, rüzgar patlamaları uçak ve uzay yapısal parçaları için ciddi hasarlara sebep olabilir. Kara yapıları, binalar veya kara araçları da, terörist saldırı nedeniyle ciddi patlama yüklerine maruz kalabilirler. Deniz araçları da hava ve su patlamalarına maruz kalabilir, aynı zamanda torpido saldırısı ile patlama yüküne maruz kalabilir. Özellikle son dönemde artan terör olayları sebebiyle patlama yükleri önemli bir hal almıştır. Bu sebeplerle, katmanlı kompozit sandviç plakaların mekanik davranışlarının incelenmesi ve patlama yüküne karşı doğru tasarımın yapılması çok önem taşır. Tezin motivasyonu, kompozit sandviç plakaları detaylı inceleyerek bu konuya katkıda bulunmaktır. Çalışmanın ana odağı, patlama yüküne maruz kalan kompozit sandviç plakaların dinamik davranışlarının araştırılmasıdır. Parametrik bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın başında kompozit malzemeler hakkında bilgiler verilmiştir. Katmanların mikromekaniğinden bahsedilmiş ve katman bazlı olarak Hook kanuna göre gerilme-gerinme temel denklemleri çıkarılmıştır. Daha sonrasında, klasik katmanlı plaka teorisi ve birinci dereceden kayma deformasyon plaka teorisi açıklanmıştır. Hareket denklemleri, virtüel iş prensibi kullanılarak her iki teori için de türetilmiştir. Denklemler çeşitli varsayımlara göre basitleştirilmiştir. Basit mesnetli sınır koşulu, çapraz katmanlı ve simetrik kompozit kabul edilmiştir. Ayrıca düzlem içi yer değiştirimeler, lineer olmaya terimler ve dönme atalet terimleri göz ardı edilmiştir. Navier metodu yaklaşık analitik çözüm metodu olarak kullanılmıştır. Klasik katmanlı plaka teorisinden farklı olarak, birinci dereceden kayma deformasyon plaka teorisinde gerçek ve varsayılan düzlem dışı kesmeler arasındaki farklılığı gidermek için bir faktör kullanılır. Bu faktör kayma düzeltme faktörü olarak adlandırılır. Kayma düzeltme faktörünün seçimi sonuçları doğrudan etkilemektedir. Literatürde bu faktörün seçimi ile ilgili araştırmalar bulunmaktadır. Bu tezde kayma faktörü elde etme metodlarından bahsedilmiş farklı metotlardan elde edilen faktörlere göre analizler gerçekleştirilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Katmanlı kompozit plakaların doğal frekans, statik ve dinamik davranışlarını inceleyebilmek için bir algoritma geliştirilmiştir. Bu algoritma iki teoriyi de içermektedir ayrıca katman olarak çekirdek malzemesi de tanımlanabildiği için sandviç yapılar için de çalışmaktadır. Değişen plaka geometrisi ve mekanik özellik oranına göre çeşitli vaka çalışmaları, örnek analizler (case study) yapılmıştır. Doğal frekans, statik yükleme ve dinamik yükleme için analizler gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda sonlu elemanlar paket programı olan ABAQUS ile de aynı analizler gerçekleştirilmiştir. Klasik katmanlı plaka teorisi, birinci dereceden kayma deformasyon plaka teorisi ve ABAQUS ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Plaka kalınlığının plaka kenar uzunluğuna oranına göre sonuçlar birbirinden farklılık göstermektedir. Kalın plakalar için birinci dereceden kayma deformasyon teorisinin daha uygun olduğu görülmüştür. Bundan sonraki aşamada, sandviç yapılar üzerinde yapılan tüm analizlerde sadece birinci dereceden kayma deformasyon teorisi kullanılmıştır. Sandviç plakalar analizleri yapılmadan önce, sadviç yapıların mekanik özelliklerinden bahsedilmiştir. Ayrıca piyasada çokça kullanılan aramid ve aluminyum folyodan üretilmiş balpeteği ile bazı köpük malzemeleri tanıtılmış ve mekanik özellikleri verilmiştir. Çalışmanın amacına uygun olarak bu çekirden malzemelerinden bazıları seçilip analizler bu seçilmiş çekirdeğe sahip plakalar için gerçekleştirilmiştir. Doğal frekans, statik ve dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Birinci dereceden kayma deformasyon plaka teorisi kullanılmışltır. Ayrıca farklı metotlardan elde edilen kayma düzeltme faktörleri de analizlerde kullnılmış ve incelenmiştir. Alt ve üst yüzey katmanları için aluminyum malzeme ve karbon elyaf takviyeli katmanlı kompozit malzeme kullanılmıştır. Farklı çekirdek malzemeleri, farklı çekirdek kalınlıkları ve bal peteği çekirdek yapısı için farklı folyo kalınlıkları değişen parametrelerdir. Patlama yükü analizlerinde, patlayıcı ve plaka arasındaki mesafeye bağlı olarak farklı basınç-zaman profilleri oluşturulmuş ve belirlenmiş bir plaka için zamana bağlı analizler bu basınç profilleri için gerçekleştirilmiştir. Tüm sayısal sonuçlar MATLAB yazılımında hazırlanan kod ile elde edilmiştir. Bu sonuçlar ABAQUS ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Çekirdek kalınlığının düzlem dışı deformasyona karşı çok etkili olduğu anlaşılmıştır. Aramid folyolu bal peteği yapıları, alüminyum folyolu balpeteği yapılarına göre daha az mukavim olduğu anlaşılmıştır. Kayma düzeltme faktörü seçiminin sandviç yapıların analizi için çok kritik olduğu anlaşılmıştır. Literatürde, homojen kesitler için kayma düzeltme faktörü için 5/6 ya da 1 gibi değerlerin kullanılması gerektiği yazarken, sandviç yapılar için belli bir değer bulunmamaktadır. Bu çalışma sırasında farklı metotlara göre bu faktör hesaplanmıştır ve bu faktörü plaka mekanik özelliklerine ve geometrisine bağlı olarak hesaplamanın en doğru sonucu verdiği anlaşılmıştır.

Özet (Çeviri)

Material selection plays an important role in all engineering applications. The material characteristics, cost, environmental conditions and the purpose of the usage affect this selection. With the developing technology, material science has been focused on new materials to meet engineering requirements, improving the performance and facilitate manufacturing. In this century, composite materials stand out because of their advantages like specific strength (strength to weight ratio), corrosion resistance and high fatigue strength. In the simplest form, they can be defined as a substance which consists of two or more materials, not soluble in one another, which together provide useful properties that not possessed by the constituents. Composite structures are used in many areas from aircraft structures to golf clubs, and from space shuttles, marine industry to construction. In recent years, there have been increasing sandwich structure applications due to their higher specific stiffness and strength. Sandwich structures are a special form of laminated composite materials or structural elements. They consist of thin, stiff and strong facesheets, and relatively thick, lightweight and compliant core material, and some means of connecting the face sheets and core. Facesheets are generally made of aluminum alloys and composite materials. Typical cores are honeycomb, foam and balsa wood. Composite honeycomb sandwich panels are most desirable structures because they have the lowest structural weight, and easily manufactured. The function of the sandwich plates can be understood by considering the mechanical behavior of an I beam. Facesheets are placed far from the neutral axis to increase the modulus of the section. Unlike an I beam, core structures also provide a continuous support for the facesheets, so a smooth surface is obtained. Having smooth surfaces is important in aviation because of drag issue. Sandwich panels are especially used for normal pressure loading cases. Therefore, sandwich structures are commonly used in aeronautics, astronautics, marine, automotive and many other industries. With increased use of laminated composite materials and sandwich structures in several industry, dynamic response of the laminated plates subjected to time-dependent loading like blast loads, nuclear explosions, gust and sonic boom pulses has become an important issue. Blast loading may cause severe damages on aerospace structures during flight; however, blast loading is crucial not only for aerospace structures but also land based and marine structures. Land based structures can be subjected to blast type loadings because of terrorist attack, also marine structures can be subjected to air blast or water explosion in battlefield, for example, due to the attack of a torpedo. Therefore, it is very important to examine the mechanical behavior of laminated composite sandwich plates. In recent years, there has been a growing interest in this topic. The motivation of the thesis is to make a contribution to this important subject by examining the composite sandwich plates in detail. Main focus of this study is the dynamic behaviour of the composite sandwich plates subjected to blast loading. Prior to determining the mechanic characteristics of composite sandwich plates, micromechanics of composites are introduced and some ply based equations are given, then the classical lamination plate theory (CLPT) and the first order shear deformation theory (FSDT) are explained. Equations of motion are derived by using the principle of virtual work for both theories. The equations are simplified according to the simply-supported boundary conditions and symmetric cross ply laminate. Besides, the in plane deformations, nonlinearity and rotary inertia terms have been neglected. Approximate solutions are obtained using Navier method. In the FSDT, unlike the CLPT, a factor is used to compensate the differences between actual and assumed transverse shears. This factor is named as shear correction factor. The selection of the shear correction factor affects the results directly. In literature, there are several researches about to selection of the factor. In this study, different methods are explained and used to calculate the shear correction factor. An algorithm has been developed to obtain the natural frequencies, the static and dynamic loading characteristics for composite plates. Several case studies are run to decide which theory can be more suitable under present and available conditions at hand. Several parametric analyses have been conducted with different geometric and mechanical variables. The same analyses are also performed using Abaqus, and results are compared. The first order shear deformation theory is shown to be more suitable for thick plates. Natural frequencies static and dynamic analysis of sandwich structures have been performed using the FSDT. Different shear correction factors which are obtained from the different methods are used in these analyses. Metallic and orthotropic face sheets are investigated. Core thickness, core materials and foil thickness are taken as the parameters. For blast loading analysis, different pressure pulse profiles are applied to the plates. The numerical results are obtained via a script written in MATLAB tool, then, the center deflections of the plates are compared with the results obtained from Abaqus. It is concluded that the core thickness is highly effective against the out-of-plane deformation, aramid based cores are more flexible than metallic based cores, and the shear correction factor depends on the mechanical properties and geometry of the plate for orthotropic laminated plates.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    451013

    Anlık basınç yüküne maruz ince cidarlı takviyeli sandviç kompozit plağın dinamik davranışı

    Dynamic response of a stiffened laminated sandwich composite plate under blast load

    BİLGEHAN ÖZCAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. DEMET BALKAN

  2. Tez No

    421157

    Nonlinear dynamic behaviour of tapered sandwich plates with multi-layered faces subjected to air blast loading

    Çok katmanlı yüzeylere sahip kalınlıkça sivrilen sandviç plakların anlık basınç yüklemesi altındaki lineer olmayan dinamik davranışı

    SEDAT SÜSLER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

  3. 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

  4. Tez No

    807215

    Blast yükü altındaki sandviç kompozit panellerin mekanik davranışının sayısal ve deneysel olarak hesaplanması

    Numerical and experimental calculation of mechanical behavior of sandwich composite panels under blast loading

    YUNUS EMRE SERTTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET BALKAN

  5. Tez No

    724736

    İnce cidarlı ve bal peteği takviyeli kompozit plakların anlık basınç yükü altındaki dinamik davranışlarının deneysel ve sayısal yöntemlerle incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of the dynamic behavior of thin-walled and honeycomb reinforced composite plates under blast load

    LİNA İRTEGÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Gemi MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İSMAİL BAYER

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

Geri Dön