Geri Dön

Investigation of mechanical properties of I beam composites developed with 3D woven fabric

3B dokuma kumaş ile geliştirilen I kiriş kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 771616
  2. Yazar: MELİSA DİNÇER
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  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: 87

Özet

Havacılık ve uzay endüstrisi, yüksek eksenel ve eğilme rijitlikleri nedeniyle birçok endüstride yaygın olarak kullanılan ince duvarlı yapıların tasarımında evrime öncülük etmiştir. İnce duvarlı yapılar, kanat ve kontrol yüzey direkleri, zemin ve kanat kirişleri olarak kullanılır ve büyük kuvvetlere maruz kalır. Kirişler, kuyrukta ve zeminde kullanılsa da en önemlileri kanattaki yük taşıyıcı kirişlerdir (spar) çünkü uçağın havada kalabilmesi için yeterli yük taşıma miktarı kanatta çok daha fazladır bu yüzden kritik bir sistem olarak değerlendirilmelidir. Uçuş esnasında, kanatlar yukarı doğru büküleceğinden kanattaki birincil yük yolu yük taşıyıcı kirişlere (spar) aittir ve kesme kuvvetleri ile eğilme momentlerini taşımak için tipik bir ankastre kiriş olarak tasarlanmıştır. Yük taşıyıcı kiriş (spar) flanşları doğrudan gerilmelerin çoğunu taşırken, kiriş ağı (spar web), toplam kanat kaldırmasının önemli bir parçası olan kesme gerilmelerine direnecek şekilde tasarlanmıştır. Kanattaki yük taşıyıcı kirişler (spar), eskiden çoğunlukla yüksek performanslı alaşımlarla üretilmiştir, ancak günümüzde uçak tasarımlarının değişmesiyle kompozit malzemelerden üretilmesine yönelik bir eğilim olmuştur. Alüminyum ve ahşap kanat yük taşıyıcı kirişleri (spar) birden fazla parçadan yapılırken bunun aksine kompozit kanat yük taşıyıcı kirişleri (spar), uçtan uca tek parça bir bileşen olarak üretilebilir. Uçak yapılarında yüksek rijitlik ve mukavemet sağlanırken aynı zamanda yapının hafifleştirilerek yakıt tüketiminin azaltılması, dolayısıyla faydalı yükün arttırılması ve yüksek maliyetlerin düşürülmesi ihtiyacı özellikle geleneksel fiber takviyeli kompozitlere yönelik bir eğilim yaratmıştır. Kompozitler gibi heterojen yapılarda yük transferi, fiber ve matris arasındaki zayıf interfaz sebebiyle iyileştirilmesi gereken en kritik konulardan biri olmuştur. Ayrıca, katmanlar arasındaki zayıf arayüz de baskın bir hasar mekanizması olan delaminasyon davranışına neden olmaktadır. Delaminasyon çatlakları, kalınlık boyunca takviye bulunmaması, matris açısından zengin bölgeler, zayıf interfaz ve katlar arasındaki zayıf arayüz sebepleriyle düzlem dışı yükleme koşulları altında kolayca başlar, ardından yayılır ve bu durum yapının kırılma tokluğunun düşmesine neden olur. Katmanlı kompozitler çoğunlukla delaminasyondan kaynaklı olarak zarar görmektedir ve bu etkiler doğrultusunda yapının sertliği, dayanımı ve ömrü düşmektedir. Delaminasyon mekanizmasını önleyerek, kompozitin ömrü ve yük taşıma kapasitesi geliştirilebilir. Ancak, delaminasyonu önleyici veya geciktirici yöntemler, havacılık-uzay ve otomotiv alanında yapıların istenmeyen ölçüde daha kalın ve ağır olması gibi etkilere neden olmaktadır. Tufting, dikiş ve z-pinleme gibi yöntemlerle delaminasyon direnci arttırılmaya çalışılmış ancak hem reçinece zengin bölgelerin oluşması hem de ipliklerin hasar görmesi ve farklı yönlere doğru yönelmesi sebepleriyle bu yöntemler yerine 3-Boyutlu (3B) dokuma yöntemine olan ilgi artmıştır. Kompozitlerin z-yönünde takviyelendirilmesinin kumaşa düzlem dışı yönde ipliklerin eklenerek yapılması 3B dokuma olarak isimlendirilen bir yaklaşımla sağlanabilmektedir. Yenilikçi bir yaklaşım olan 3B dokuma ile kumaşa dahil edilen düzlem dışı iplikler, düzlem dışı yönde bir takviye sağladığı için yapının tokluğunu ikincil işlem gerektirmeden geliştirerek istenmeyen bir göçme türü olan delaminasyonu ortadan kaldırmaktadır. Bu sayede, 3B dokuma hem hafif hem de yüksek mekanik özelliklere sahip yapıların tercih edildiği havacılık-uzay endüstrisi için oldukça önem kazanmıştır. Ayrıca 3B dokuma yöntemi ile elde edilen kumaşlardan üretilen kompozit yapılarda, diğer üretim yöntemleriyle elde edilen kumaşlardan üretilen kompozitlerde olduğu gibi yapının dayanımını düşüren reçine açısından zengin bölgeler ve yönü bozulmuş lifler bulunmadığı için düzlem dışı mekanik özellikler, delaminasyon tokluğu, darbe dayanımı, kırılma tokluğu ve hasar toleransı gibi özellikler geliştirilebilir. 3B dokuma tekniğiyle neredeyse son haline yakın geometride kumaşlar üretilebildiği gibi aynı zamanda herhangi bir birleştirme veya kırpma gibi üretim sonrası düzeltme işlemlerine ihtiyaç duyulmamakta, istenilen kalınlıkta yekpare kumaşlar üretilebilmektedir. Tez kapsamında, havacılık-uzay, otomotiv gibi alanlarda yük taşıyıcı yapısal elemanlar olarak kullanılmak üzere 3B dokuma yöntemiyle I-kiriş formunda preformların üretilmesi ve preformlardan yüksek kalitede kompozit üretimi gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. Ana amaç, hem 300, 600 ve 1200 TEX E-cam elyaflarının hem de çözgü sıklığının kompozit kirişlerin mekanik özelliklerine olan etkisini incelemek ve tartışmaktır. Lineer yoğunluk (TEX) tartışmasının yapılması için kullanılan E-cam elyafları, preformların üretiminde hafiflik, dayanıklılık ve dokuma esnasında şekil verilebilirlik özelliklerinden dolayı tercih edilmiştir. Kompozit üretiminde ise havacılık uygulamalarına uygun kalitede, ortam koşullarına dayanıklı, oda sıcaklığında kürlenebilen epoksi reçine tercih edilmiştir. Bu çalışmanın ilk aşamasında 3B dokuma yapabilen bir yarı-otomatik dokuma makinesinin optimizasyonu üzerine çalışılmıştır. Dokuma boyunca standart atkı ve çözgü sıklığı ile dikey duvar yüksekliğine sahip preformların üretilebilmesi için yarı-otomatik dokuma makinesine servomotorla kontrollü çözgü salımı, otomatik tefe vurma sistemi ve arayüz üzerinden atkı sıklığının belirlenebilmesi özellikleri eklenmiştir. Ardından 300, 600 ve 1200 TEX lineer yoğunluklu E-cam elyaflarıyla dikdörtgensel boşluklara sahip 3B preformların üretilebilmesi için uygun çözgü ve atkı sıklığının bulunmasına yönelik denemeler yapılmıştır. Sonuç olarak, 300 TEX preformlarda çözgü sıklığı 20 cm-1, atkı sıklığı 4 cm-1 olduğunda, 1200 TEX preformlarda ise çözgü sıklığı 12 cm-1, atkı sıklığı 4 cm-1 olduğunda 2 cm yüksekliğin sağlanabildiği sonucuna erişilmiştir. 300 TEX ve 1200 TEX arasında karşılaştırma yapılabilmek için 600 TEX prefomlar çözgü sıklığı hem 12 cm-1 hem de 20 cm-1 olacak şekilde 4 cm-1 atkı sıklığında dokunmuştur. Tezin ikinci aşamasında ise, 3B dokuma ve 3B vakum infüzyon üretimi yaklaşımları birleştirilmiştir. I-profilli yük taşıyan kirişler 3B dokuma yöntemiyle yekpare olarak üretildikten sonra özel tasarlanmış kalıpların entegre edildiği vakum infüzyon yöntemiyle 3B kompozitler haline dönüştürülmüştür. Vakum infüzyon yöntemiyle yapılan üretimlerin daha az boşluk oranına sahip olması ve preformların tamamen ıslatılması için uygun 3B kalıplar tasarlanmıştır. Üretilen kompozitlerin yük taşıyıcı dikey duvarlarının kalınlıkları, sırasıyla 300 TEX (çözgü/atkı sıklığı: 20/4 cm-1), 600 TEX (çözgü/atkı sıklığı: 12/4 cm-1), 600 TEX (çözgü/atkı sıklığı: 20/4 cm-1) ve 1200 TEX (çözgü/atkı sıklığı: 12/4 cm-1) için 2.21 mm, 2.45 mm, 2.62 mm ve 2.78 mm olarak ölçülmüştür. Bunun sebebi, artan lineer yoğunluğun (TEX) E-cam elyaflarının kalınlığını arttırmasıdır. TEX'in kompozitlerin mekanik özellikleri ve göçme türleri üzerine olan etkisi 3-nokta eğilme ve basma testleriyle araştırılmıştır. Kalınlığın artışının yük taşıma kapasitesini arttırması sebebiyle maksimum eğilme ve basma yükleri 300 TEX'den 1200 TEX'e doğru artmıştır. Maksimum eğilme yükü, 300 TEX için 2300 N, 600 TEX (çözgü/atkı sıklığı: 12/4 cm-1) için 2700 N, 600 TEX (çözgü/atkı sıklığı: 20/4 cm-1) 3400 N ve 1200 TEX için 3200 N olarak elde edilmiştir. Maksimum basma yükleri ise sırasıyla 12.3 kN, 11.7 kN, 15.5 kN ve 16.5 kN olarak bulunmuştur. Sonuç olarak, 3B dokuma yapabilen bir yarı-otomatik dokuma makinesinin geliştirilmesi ve farklı lineer yoğunluğa sahip E-cam elyafları kullanılarak I-kiriş formunda 3B dokuma preformların üretilmesi sağlanmıştır. Özel üretilmiş kalıpların entegre edildiği vakum infüzyon yöntemiyle düşük boşluk oranına sahip yüksek kalitede 3B kompozitler elde edilmiştir.

Özet (Çeviri)

The need to provide high rigidity and strength for aircraft structures has created a trend, especially toward fiber-reinforced composites. Load transfer in heterogeneous structures such as composites has been one of the most critical issues needs to be improved due to the poor interphase between fiber and matrix. In addition, the weak interface between the layers also causes delamination behavior, which is a dominant damage mechanism. Laminated composites are mostly damaged by delamination and these effects reduce the hardness, strength, and service life of the structures. By preventing the delamination mechanism, the service life and load-carrying capacity of the composites can be improved. However, delamination prevention or retarding methods cause undesirable effects in the aerospace and automotive fields such as thicker and heavier structures. Delamination resistance has been studied to be increased by methods such as tufting, stitching, and z-pinning, but the interest in 3-Dimensional (3D) weaving has increased due to the formation of resin-rich regions and the damage of the yarns and their orientation in different directions. With an innovative approach, 3D weaving, the out-of-plane yarns placed in the fabric increase the toughness of the structure without the need for a secondary process, and also eliminates delamination, which is an undesirable type of failure. Therefore, 3D weaving has gained importance in the aerospace industry, where structures with both light weight and high mechanical properties are preferred. Within the scope of the thesis, it is aimed to produce preforms in I-beam forms with 3D weaving method to be used as load-bearing structural elements in fields such as aerospace and automotive and to produce high-quality composites from preforms. The main aim is to examine and discuss the effect of both 300, 600, and 1200 TEX E-glass fibers and warp density on the mechanical properties of composite beams. Initially, the optimization of a semi-automated weaving machine capable of 3D weaving was studied. To produce preforms with standard weft and warp density and vertical wall height throughout weaving, the features of controlled warp release with servomotors, automatic tamping system, and determining the weft density over the interface have been added to the semi-automated weaving machine. Then, experiments were run to identify the appropriate warp and weft density for 3D preform production with 300, 600, and 1200 TEX E-glass fibers. As a result, the optimized warp density to achieve a stable height of vertical wall of I-beam is 20 cm-1 and weft density is 4 cm-1 for 300 TEX preforms and warp density is 12 cm-1 and weft density is 4 cm-1 for 1200 TEX preforms. Additionally, 600 TEX preforms were woven with a warp density of both 12 cm-1 and 20 cm-1 weft density of 4 cm-1 for a comparison in both data sets of I-beam fabrics. Moreover, the woven I-beam preforms were then manufactured as 3D composites by vacuum infusion prosess. Custom-designed molds were employed to fabricate the I-beam profiled composites with minimum voids and complete wetting having an efficient composite manufacturing process. The thicknesses of the load-bearing vertical walls of the produced composites were 300 TEX (warp/weft density: 20/4 cm-1), 600 TEX (warp/weft density: 12/4 cm-1), 600 TEX (warp/weft density: 20/4 cm-1), and 1200 TEX (warp/weft density: 12/4 cm-1) measured as 2.21 mm, 2.45 mm, 2.62 mm and 2.78 mm, respectively. Thus, the increase in the linear density (TEX) resulted an enhancement on the thickness of the E-glass fibers. Finally, the effect of TEX on the mechanical properties and failure types of composites was investigated by 3-point bending and compression tests. As a result, the development of a semi-automated weaving machine capable of 3D weaving and the production of 3D weaving preforms in I-beam forms using E-glass fibers with different linear densities have been achieved. More design patterns throughout employing the semi-automated weaving instrument is also possible with the flexible design of the system. By a custom-designed mold system, high-quality 3D composites with low void ratio were manufactured by vacuum infusion method. The correlation of linear density of E-glass fibers through both 3-point bending and compression tests were presented the expected trends including the cover factor discussion when 12 and 20 cm-1 warp density was considered for 600 TEX.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    829165

    Large deflections of non-linear bi-modulus functionally graded beams under different boundary and loading conditions

    Doğrusal olmayan çift modüllü fonksiyonel derecelendirilmiş kirişlerin farklı sınır koşulları ve yüklemeler altındaki büyük yer değiştirmeleri

    AYHAN HACIOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEMAL BAYKARA

  2. Tez No

    55734

    Betonun Mod I durumundaki göçmesine agrega konsantrasyonunun etkisi

    Başlık çevirisi yok

    A. FERHAT SARISU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ. DR. MEHMET ALİ TAŞDEMİR

  3. Tez No

    252375

    Çelik lif donatılı betonların performansa dayalı tasarımı ve optimizasyonu

    Optimization and performance based design of steel fiber reinforced concretes

    MUHSİN YALÇIN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CANAN TAŞDEMİR

  4. Tez No

    733069

    Strengthening Shear Deficient Thin-Walled Steel Beams byBonding Pultruded GFRP Sections

    İnce Cidarlı Çelik Kirişlerin Burkulma Dayanımlarının Cam Elyaf Kompozit Profil Yapıştırılarak Güçlendirilmesi

    TUNA ÜLGER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    İnşaat MühendisliğiLouisiana State University

    İnşaat Yapı Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYMAN OKEIL

  5. Tez No

    255735

    Karbon fiberlerden imal edilen kompozit yapılarda, fiber yüzey işlemlerinin fiber, ara bölge ve kompozit yapı özelliklerine etkilerinin incelenmesi

    Investigation of the effects of fiber surface treatments on fiber, interphase, and composite properties of composites made of carbon fibers

    SEÇKİN ERDEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Makine MühendisliğiEge Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HASAN YILDIZ

Geri Dön