Mechanical response of the carbon fiber reinforced polymer composite sandwich structures with pyramidal lattice core
Piramit kafesli nüveye sahip karbon elyaf takviyeli kompozit bir sandviç yapının mekanik cevabı
- Tez No: 732994
- Danışmanlar: PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Kompozit malzemeler uzun yıllardır çeşitli endüstrilerde yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Karbon, cam ve aramid gibi elyaf takviyeli malzemeler, teknolojik gelişmelere bağlı olarak piyasada kendine yer bulmuştur. Ayrıca, kompozit malzemeler takviye tipine ve matris tipine göre tasnif edilebilirler. Matrise göre tasnif edilen kompozit malzemeler seramik, organik ve metal olarak ayrılırken; takviye esasına göre tasnif edilen kompozit malzemeler ise elyaf takviyeli, partikül takviyeli ve yapısal kompozitlerden oluşmaktadır. Ayrıca açıkça bilinmektedir ki sandviç yapılar bir nüve, alt ve üst yüzey plakadan oluşmaktadır. Geleneksel olarak kullanılan köpük ve bal peteği seçenekleri, sandviç yapı nüveleri konusunda sıklıkla tercih edilmektedir. Köpük veya bal peteği içeren sandviç yapılar, oldukça yaygın bir biçimde yapısal kompozit olarak kullanılmaktadırlar. Şüphesiz ki bu durum da sandviç yapıların oldukça yaygın bir literatür araştırmasına sahip olmasını beraberinde getirmiştir. İşbu tez kapsamında, bal peteği veya köpük nüve tiplerinin aksine, yapısal kompozitlerin özel bir grubu olan“piramit kafesli nüveye sahip karbon elyaf takviyeli kompozit sandviç yapılar”incelenmiştir. Yüksek direngenlik-ağırlık oranına olan talebin artmasıyla beraber, alışılagelmiş nüve tiplerinin, eşlenikleri ile değiştirilmesi ihtiyacı doğmuştur. Bunlardan potansiyel barındıranları da Kagom'e, X tipi, Y tipi, V tipi, dörtyüzlü, elmas tekstil, elmas kolineer, piramit nüveler olarak verilebilir. Piramit kafesli nüvelere gelirsek, bu nüve tipinin bir grup araştırmacı tarafından çok çeşitli açılardan incelendiği görülmektedir. Literatürde bulunan çalışmalarından bazıları şu şekildedir: sanki-statik yükleme altında basma davranışı, kesme yükü altındaki davranışı, eğilme altındaki davranışı, analitik olarak modellerinin iyileştirilmesi, üretim yöntemlerinin iyileştirilmesi, hiyerarşik piramit kafesli nüve tasarımı, düğümlerinin tasarımı, uygun hasar kriterinin araştırılması şeklindedir. Ayrıca belirtmekte yarar vardır ki piramit kafesli nüvelere dair yapılan literatür çalışmaları çok fazla değildir. Diğer nüve çeşitleri gibi, piramit kafesli nüveler de“göreceli yoğunluk”denilen parametre ile karakterize edilebilirler. Bu parametre temelde, bir hücre içinde bulunan malzeme tarafından işgal edilen hacminin, hücrenin kendisinin hacmine oranı olarak tanımlanmaktadır. Ayrıca göreceli yoğunluk, piramit kafesli nüveli bir yapının nasıl hasar alacağını belirlemekte önemli rol oynamaktadır. Örneğin, düşük göreceli yoğunluğa sahip bir piramit kafesli nüve, Euler burkulması yoluyla hasar almaya teşneyken yüksek göreceli yoğunluktaki bir yapıda delaminasyon hasar modu görülmesi muhtemeldir. Söz konusu tez kapsamında göreceli yoğunluk formülü türetilmiştir. Göreceli yoğunluğun yaklaşık türetmeleri de kullanılmaktadır ancak bu tezde kullanılan göreceli yoğunluk, mutlak bir biçimde tanımlanmıştır. Bunun yanı sıra, tezde çalışılan piramit kafesli nüvelerin kesit alanı karedir. Bu durum, göreceli yoğunluk türetme aşamasında da dikkate alınmıştır. Ayrıca, bu parametre ile çeşitli nüve tipleri birbiri ile karşılaştırılabilmektedir. Akabinde, bu çalışmada piramit kafesli nüveye sahip sandviç yapılara ait iki farklı mekanik davranış incelenmiştir: Eksen dışı basmaya verdiği cevap ve eğilme yoluyla uygulanan kesmeye verdiği cevap. Her bir davranış için iki farklı göreceli yoğunluğa sahip numuneler hazırlanmıştır. Tasarım 1'e ait göreceli yoğunluk %2.863 iken Tasarım 2'ye ait olan % 0.275'dir. Numunelerin ölçüleri ASTM C393 ve ASTM C365 test standartları baz alınarak belirlenmiştir. Dahası, nüve malzemesi sıcak pres kalıplama yöntemi ile üretildi, yüzey plaka malzemeleri ise vakum infüzyon tekniği ile üretildi. Nüve malzemesi, CM11 hızlı kür reçine ve Dowaksa A38 3K 2X2“Twill”dokuma elyaftan oluşan bir önceden emprenye edilmiş kompozit malzeme sistemidir. Yüzey plakalarının malzemesi ise 12K A-49 Dowaksa ve 3K A 38 Dowaksa elyaf ile Aradur 3486 sertleştirici ve Araldite LY 1564 reçineden mamul, ıslak bir karbon elyaf takviyeli polimer bir malzemedir. Nüve malzemesine dair diğer bir detay da diferansiyel taramalı kalorimetri analizine göre camsı geçiş sıcaklığın 178 °C olduğudur. Tezde, deneysel çalışma da bulunmaktadır. Bu bağlamda her bir test grubu için 5 numune hazırlanmıştır. Test gruplarının adı Tasarım 1 – Basma, Tasarım 2 – Basma, Tasarım 1 – Eğilme, Tasarım 2 – Eğilme'dir. Basma numuneleri eksen dışı basma yüküne, eğilme numuneleri de eğilme yüküne (kesme davranışını anlayacak şekilde) maruz bırakılmıştır. Ayrıca her gruptaki 5 numuneden 2'si gerinim ölçer ile takımlandırılmıştır. Bunun yanı sıra, tezde sayısal analiz çalışmasına da yer verilmiştir. Bu iş için kullanılan yazılım ANSYS Workbench 2021 R1'dir. Direngenlik kat sayısı (veya Young modülü) gibi herhangi bir malzeme özelliğini tespit etmeye yönelik bir mekanik test gerçekleştirilmediği için literatürde bulunan jenerik malzeme özellikleri kullanılmıştır. Tüm sayısal modellerdeki nüvelerin çözüm ağı, SOLSH190 elemanı kullanılarak oluşturulmuştur. Bu elemanın, piramit kafesli bir nüve için daha uygun olduğunu düşünülmüştür. Çünkü, eğilme davranışını yakalama hususunda SOLID elemanlara göre daha başarılı olduğu bilinmektedir. Yüzey plakaları ve yardımcı parçalar ise ikince dereceden SOLID186 ve SOLID 187 elemanlarına sahiptirler. Basma modellerinde, alt test aparatının alt yüzeyi ankastre mesnetlenmiştir; üst test aparata da deplasman ve mesafeli deplasman sınır şartları uygulanmıştır. Eğilme modellerinde ise deplasman ve mesafeli deplasman sınır şartları vardır. Deplasman sınır şartı, yükleyici mile uygulanmıştır. Mesafeli deplasman da destek millerinin tüm yönlerdeki ötelenmesini ve kendi ekseni hariç tüm eksenlerdeki dönmesi kısıtlayacak şekilde destek millerine uygulanmıştır. Sonuç olarak, Tasarım 1 – Basma ve Tasarım 2 – Basma 'ya yapılan mekanik test sonuçlarına göre eğimler, sırasıyla 57148 N/mm ve 37573 N/mm'dir. Sayısal analiz ise bu değerleri 65908 N/mm ve 41380 N/mm olarak vermiştir. Yani, Tasarım 1 için numerik çalışmadan alınan eğim değer, test sonuçlarında alınana göre %15.3 fazladır. Bu fark Tasarım 2 için %10.1'dir. Eğilme numunelerinde ise durum şöyledir: Tasarım 1 ve Tasarım 2'nin test sonuçları, sırasıyla 2508 N/mm ve 1802 N/mm eğim değerine sahiptir. Bu test grubunun sayısal çalışmasından alınan değeler ise 3079 N/mm ve 1839 N/mm'dir. Aradaki uyuşmazlıklar ise Tasarım 1 için %22, Tasarım 2 için %2 olmaktadır. Sonuçlardan da anlaşılabileceği gibi numerik çalışma kapsamında modellenen yapılar test sonuçlara nazaran daha direngen davranmışlardır. Bunların yanı sıra mekanik test sonuçlarından, yapıların dayanım ve direngenliklerini elde edilmiştir. Buna göre, Tasarım 1 – Basma ve Tasarım 2 – Basma, sırasıyla 53.57 MPa ve 30.62 MPa eksen dışı basma nüve direngenliği (ya da modülü)'ne sahiptirler. Bunların eksen dışı basma karşısındaki dayanımları ise 2.373 MPa ve 0.478 MPa'dır. Tasarım 1 – Eğilme ve Tasarım 2 – Eğilme incelendiğinde ise sandviç yapıya ait kesme modülleri sırasıyla 53.57 MPa ve 20.80 MPa olarak hesaplanmıştır. Söz konusu sandviç yapıların nüvelerinin kesme dayanımları ise 1.086 MPa ve 0.436 MPa'dır.
Özet (Çeviri)
Composite materials are widely used for many years in various industries. Depending upon technological developments, fiber reinforced composite materials such as carbon, glass and aramid fiber, have been introduced. Also, they can be classified based on the matrix type or the reinforcement type. Matrix-based composite materials can be divided by ceramic, organic, metal matrix; while, reinforcement based classification covers fiber-reinforced, particulate and structural composite materials. It is also explicitly known that sandwich structures are established by a core, upper and lower skin (a.k.a facing or face sheet). Core of a sandwich structures conventionally is chosen as honeycomb or foam. The sandwich structures which includes foam or honeycomb, are remarkable common as structural composite. Surely, this yields having plenty of research in the literature. In the context of thesis herein, a special group of structural composites rather than foam or honeycomb, have been investigated. It is the carbon fiber reinforced polymer composite sandwich structures with pyramidal lattice (CPL) core. Along with demanding to high stiffness or strength to weight ratio, it is needed to arise to replace conventional cores by their counterparts. Promising ones might be given as Kagom'e core, X-Type core, Y-Type core, V Type core, tetrahedral, diamond textile, diamond collinear, square collinear, pyramidal. As to CPL core, it has been examined by a number of researcher from different perspectives such as compressive behaviour under quasi static loading, shear behaviour, bending behaviour, enhancing its analytical models, improving its manufacturing method, hierarchical CPL core, its node designing, searching appropriate failure criteria or etc. It is also indicated that works related to the CPL core in literature are not extensive. As the other core types, the CPL core could be characterized by its relative density. This parameter is basically defined as the ratio of volume occupied by the material within a cell to volume of the cell. Also, it determines failure mode of the CPL core. For instance, the CPL core with lower relative density, tends to fail by means of Euler buckling in the case of compression loading. However, it is possible to have delamination failure if the CPL core has higher relative density. Within the scope of the current thesis a relative density formulation has been derived. This is exact definition despite of that approximate formulations have been introduced. Moreover, it is note that the CPL cores which have been studied in present thesis, have square cross section. This fact has been holds by the exact definition of relative density. Also, it can be indicated that relative density is a parameter which can be utilized by comparing any type of core between each other. Subsequently, two different mechanical behaviour of sandwich structures with the CPL core, have been studied in this work such as out of plane compression and flexural based shear. For each behavior, the specimens have been designed so as to have two different relative densities like 2.863% and 0.725%. While the former relative density stands for Design 1, the latter relative density represents Design 2. Dimensions of the specimens dictated by the ASTM C393 and ASTM C365. Besides, material of the core has been manufactured by hot compression molding while the facings material has been manufactured by vacuum infusion. The materials used, are a prepreg system (i.e. CM11 fast curing resin and Dowaksa A38 3K 2X2 Twill fiber) for the core and a wet material for the facings (i.e. 12K A-49 Dowaksa fiber and 3K A-38 Dowaksa fiber; Aradur 3486 of hardener and Araldite LY 1564 of resin). Also, glass transition temperature of the core material has been found as 178 °C with respect to the differential scanning calorimetry (DSC) analysis. Afterward, five specimens have been prepared for each test group like Design 1 - Compression, Design 2 - Compression, Design 1 - Bending, Design 2 - Bending in order to expose the flatwise compression test and the shearing by flexural loading. Two out of each test group have been equipped with strain gauges. Next, numerical analysis has been done for each group by favour of ANSYS Workbench 2021 R1. Since any mechanical test which specifies the material properties such as Modulus of Elasticity, a generic material properties have been utilized. Core of the all numerical model has been meshed with SOLSH190. It is considered as more appropriate element to simulate comparatively thick structures. Also known that it is better capture flexural behaviour as compared to solid element. The facings and auxiliary structures also has quadratic SOLID186 or SOLID 187 element. As a boundary condition, fixed support upon the lower face of lower platen of compression model has been applied; as well as the displacement and remote displacement have been exposed to upper platen. Bending models also has a displacement boundary condition which acts to the loading pin. Besides, supporting pins have been restricted in all translation direction. Only rotating own axis has been allowed. Remember, numerical models have been established in order to compare only slopes of the force versus displacement curve. Consequently, there is no damage model in the models. As a consequence, the slopes are 57148 N/mm and 37573 N/mm according to mechanical test of Design 1 - Compression and Design 2 - Compression, respectively. Numerical models of Design 1 - Compression and Design 2 - Compression also give rise to the slope of 65908 N/mm and 41380 N/mm, correspondingly. Based on the these results, the slope which has been retrieved from numerical model of Design 1 is higher as much 15.3% as compared to one retrieved mechanical test result. This difference is 10.1% for Design 2. In addition, the slopes of Design 1 - Bending and Design 2 - Bending are 2508 N/mm and 1802 N/mm in accordance with mechanical test results. The slopes which have been determined by the numerical models, are also 3079 N/mm and 1839 N/mm for Design 1 - Bending and Design 2 - Bending, correspondingly. In conformity with the results associated with bending, the discrepancies are 22% and 2% for Design 1 and Design 2, respectively. The bending structures which have been modeled seem to more stiff in simulation environment. Furthermore, strength and modulus of the structures have been obtained from the mechanical results only. Accordingly, Design 1 - Compression and Design 2 - Compression have 53.57 MPa and 30.62 MPa of core flatwise compressive modulus as well as 2.373 MPa and 0.478 MPa of ultimate flatwise compressive strength, respectively. As to bending structures, core shear ultimate strengths for Design 1 - Bending and Design 2 - Bending are 1.086 and 0.436 MPa, correspondingly. Also, the former design have 53.27 MPa of core shear modulus as well the latter design have 20.80 MPa.
Benzer Tezler
- Karbon elyaf takviyeli filaman sarım kompozit boruların düşük hızlı darbe cevabının incelenmesi
Investigation of low velocity impact response of carbon fiber rainforced filament winding composite pipes
OZAN KEKÜÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiNecmettin Erbakan ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LOKMAN GEMİ
DOÇ. DR. ŞAKİR YAZMAN
- Karbon nanotüp takviyeli kompozit malzemelerin termal, elektriksel ve mekanik özelliklerinin tespiti
Determine of thermal, electrical and mechanical properties of carbon nanotube reinforced composite materials
ONUR AĞMA
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALAATTİN AKTAŞ
- Design and optimization of variable stiffness composite structures modeled using Bézier curves
Bézier eğrileriyle modellenen değişken katılıklı kompozit yapıların tasarımı ve optimizasyonu
ONUR COŞKUN
Doktora
İngilizce
2022
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
- Bir insansız hava aracına ait kompozit kanadın tasarımı ve yapısal optimizasyonu
Design and structural optimisation of an UAV composite wing
MUHAMMED ATIF YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
- Karbon fiber takviyeli polimer (KFTP) kompozit malzemelerin işlenmesinde oluşan kusurlar ve malzemenin mekanik özelliklerine etkilerinin analizi
Analysis of defects in machining of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite materials and their effects on mechanical properties
ERKAN SAĞDIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiMilli Savunma ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR SALMAN