Failure investigation of composite materials using multi-instrument experimental techniques and numerical method
Çok aletli deney teknikleri ve nümerik yöntemi kullanılarak kompozit malzemelerin kırılmalarının araştırılması
- Tez No: 687628
- Danışmanlar: Prof. Dr. MEHMET YILDIZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 122
Özet
Karbon fiber takviyeli polimer matris laminatlar, hafiflikleri ve yüksek özgül sertlikleri ve mukavemetleri nedeniyle havacılık, otomotiv, türbin kanatları ve deniz yapılarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Lamine kompozitlerin bir diğer önemli özelliği, istifleme dizilerine ve bileşen malzeme kombinasyonlarına bağlı olarak mukavemetlerinin ayarlanmasını sağlayan anizotropidir. Bununla birlikte, fiber laminatların başarısızlık analizi, çoklu bileşenlerin mevcudiyeti ve malzeme içinde mekansal olarak heterojen hasar birikimi nedeniyle çok karmaşık bir süreçtir. Bu nedenle, mevcut çalışmada, karbon fiber takviyeli polimer kompozitlerdeki çeşitli arıza modlarını ve hasar büyümesini, çeşitli yükleme koşulları altında, aynı anda çok sayıda yapısal sağlık izleme tekniğini kullanarak kapsamlı bir şekilde analiz etmek için kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Bu araştırmaların sonuçları dört farklı makaleyle sonuçlanmıştır ve bu çalışmada ayrı ayrı sunulmuştur. İlk makalede, açılı-kat tek yönlü karbon fiber takviyeli plastiklerde uç tırnak malzemesinin mekanik özellikler ve arıza birikimi üzerindeki etkisini incelemek için çekme yükleme koşulu altında dijital görüntü korelasyonu (DIC) ile birleştirilmiş akustik emisyon (AE) analizi kullanılmıştır. (CFRP'ler) . DIC'den elde edilen gerinim alanlarının nispeten daha muntazam olduğu bulunmuştur, bu da tırnak malzemesinin elastik modülü ile test malzemesi arasındaki fark küçüldüğünde ölçü uzunluğuna etkin bir yük aktarımını gösterir. AE enerji sonuçlarının evriminden kaynaklanan hasar birikim oranı, AE aktivitesinde üç farklı aşama belirledi. İkinci aşamanın süresinin daha uzun olduğu, hasar ilerlemesinin daha yavaş olduğu, tırnak malzemesi ile test malzemesi arasındaki elastik modül farkının daha küçük olduğu numunelerde, DIC analizine ek olarak gözlemlenmiştir. Bu tezin ikinci makalesi, çok yönlü (yani açılı-kat) CFRP laminatların çekme testi sırasında üç farklı eş zamanlı gerinim izleme tekniği arasında bir karşılaştırma yapılmıştır. Kullanılan gerinim ölçüm teknikleri, DIC (temassız), Fiber Bragg Izgara (FBG) sensörleri (gömülü) ve gerinim ölçerdir (yüzeye monte). Bu, yalnızca gerinim gelişimini etkili bir şekilde izlemeye yardımcı olmakla kalmayıp, aynı zamanda farklı yöntemlerden gelen gerinim ölçümlerindeki tutarsızlıkları, her bir laminattaki farklı döşeme dizisinden dolayı katmanlar arası delaminasyon eğilimi ile ilişkilendirerek, kalınlık bozulması ilerlemesini analiz etmeye yönlendirildi. Daha fazlasını tamamlamak için, AE ve Kızılötesi termografi (IRT) aynı zamanda matris çatlağı, arayüz hasari veya fiber kırılması olarak karakteristik hasar tiplerini tanımlamak ve sınıflandırmak için de kullanılır. Üçüncü makale, aynı anda AE, DIC ve IRT kullanarak, çekme ve düzlem içi kesme yüklemesi altında dokuma CFRP'lerin mekanik özellikleri ve kırılma dinamikleri üzerindeki kalınlık değişiminin etkisini, yani boyut etkisini araştırmaktadır. Burada, mikro hasar başlama noktasının en ince laminatta en erken gözlemlendiği ve daha kalın olanlara kıyasla en düşük maksimum çekme ve kesme mukavemetlerini gösterdiği ortaya konmuştur. Daha kalın laminatlardaki arıza birikiminin, daha ince laminatların aksine, daha kalın laminatlardaki delaminasyon başarısızlığının aktivasyonu nedeniyle geciktiği bulunmuştur, burada hasarın ağırlıklı olarak nispeten daha düşük enerji salımı fenomeni, yani matris çatlaması tarafından kontrol edilir. Bu tezdeki dördüncü makale, DIC ve IRT'yi aynı anda kullanarak, çekme yüklemesi altında etkileşimli iki çentik içeren laminatlarda, tek çentikli laminatınki ile başarısızlık başlangıcı ve ilerlemesinin bir karşılaştırmasını ve incelemesini sunar. Yükleme yönüne paralel olarak açılan iki delikli laminatlarda tek delikli laminatlara göre mukavemet artışının ve çentiklerin etrafındaki gerilme konsantrasyonunun azalmasının arkasındaki fizik başarıyla ortaya çıkarılmıştır. Yükleme eksenine paralel iki delikli laminatlarda nispeten yüksek bir enerji salım hızı mekanizması, yani arayüz arızasının, tek delikli laminatlarda baskın olan düşük enerji salım mekanizması yani enine matris çatlaması ile karşılaştırıldığında daha baskın olduğu ortaya çıktı.
Özet (Çeviri)
Carbon fiber reinforced polymer matrix laminates are widely used in aerospace, automotive, turbine blades and marine structures due to their light weight, and high specific stiffness and strength. Another important feature of laminated composites is anisotropy, which enables one to tailor their strength depending on the stacking sequences and the constituent material combinations. However, failure analysis of fiber laminates is very complicated process due to the presence of multiple constituents and spatially heterogenous damage accumulation inside the material. Therefore, an extensive investigation is carried out in the current study to comprehensively analyze various failure modes and damage growth in carbon fiber reinforced polymer composites, under various loading conditions, by simultaneously utilizing numerous structural health monitoring techniques. The outcomes of these investigations have resulted in four distinct papers and are presented individually in this study. In the first paper, acoustic emission (AE) analysis coupled with digital image correlation (DIC) is used to study the effect of end-tabs' material on the mechanical properties and failure accumulation in angled-ply unidirectional carbon fiber reinforced plastics (CFRPs), under tensile loading condition. The strain fields, obtained from DIC, are found to be relatively more uniform, indicating an effective load transfer to gauge section, when the difference between the elastic modulus of the tab material and test material becomes smaller. The damage accumulation rate from the evolution of AE energy results determined three distinct stages in AE activity. The duration of the second stage is observed to be longer, slower damage progression, in the specimens with smaller difference in elastic modulus between the tab material and the test material, supplementing the DIC analysis. The second paper from this thesis, utilizes a comparison between three different strain monitoring techniques, namely DIC (contact-less), Fiber Brag's Grating (FBG) sensors (embedded) and strain gauge (surface mounted), simultaneously during tensile testing of the multidirectional (angled-ply) CFRP laminates. This assisted not only to effectively monitor the strain evolution but also directed to analyze through the thickness failure progression by correlating the inconsistencies in strain measurements from different methods with the tendency of interlaminar delamination due to distinct layup sequence in each laminate. To complement further, AE, and Infra-red thermography (IRT) are also employed simultaneously to identify and classify the characteristic failure types as matrix crack, interface failure or fiber failure. The third paper investigates the size-effect i.e., the effect of thickness variation on the mechanical properties and failure dynamics of woven CFRPs under tensile and in-plane shear loading, by simultaneously employing AE, DIC, and IRT. Wherein, it is revealed that micro‐damage initiation point is observed earliest in the thinnest laminate, showing lowest maximum tensile and shear strengths, as compared to the thicker ones. The failure accumulation in thicker laminates is found to be delayed due to activation of delamination failure in thicker laminates unlike the thinner ones, in which, the damage is predominantly controlled by comparatively lower energy release phenomenon i.e., matrix cracking. The fourth paper in this thesis presents a comparison and scrutinization of failure initiation and progression in laminates containing two interacting notches with that of single notched laminate under tensile loading, by utilizing DIC and IRT simultaneously. The physics, behind the increase in strength and the decrease in stress concentration around the notches in laminates with two holes drilled parallel to the loading direction as compared to that of single hole laminate, was successfully unearthed. It was revealed that a relatively high energy release rate mechanism i.e., interface failure was more dominant in the laminates with two holes, parallel to loading axis, as compared to a low energy release mechanism i.e., transverse matrix cracking, being dominant in single hole laminates.
Benzer Tezler
- Damage progression in composite materials: An experimental and numerical study
Kompozit malzemelerde hasar ilerlemesi: Deneysel ve sayısal çalışma
HAFIZ QASIM ALI
Doktora
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- Farklı adeziv sistemlerin bağlanma dayanımlarının, mikrosızıntılarının ve rezin-dentin bağlanma arayüzeylerinin pulpa odası duvarında değerlendirilmesi
Evaluation of bond strength, microleakage and resin-dentin interfaces of different adhesive systems on the pulp chamber walls
BORA ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2002
Diş HekimliğiSelçuk ÜniversitesiDiş Hastalıkları ve Tedavisi Ana Bilim Dalı
PROF.DR. FÜSUN ÖZER
- Karbon nanotüp katkılı karbon elyaf epoksi nanokompozitlerin işlenebilirliğinin incelenmesi
Investigation of machinability of carbon fiber epoxy nanocomposites with carbon nanotubes
HATİCE YAKUT PEKTÜRK
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiKarabük Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGE DEMİR
- İçi beton dolu çift cidarlı çelik tüplerin (CFDST) eksenel basınç altında deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of concrete filled double skin steel tubes (CFDSTs) under axial compression
BERİKA CEREN CİHAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Experimental investigation on the mechanical response of the impacted CFRP laminates and joints under different temperature conditions
Farklı sıcaklık koşullarında etkilenen CFRP laminatların ve derzlerin mekanik tepkisi üzerine deneysel araştırma
MAHSA SEYEDNOURANI
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE SİNEM ŞAŞ ÇAYCI