Energy absorption of composite structures under axial loading: Design, manufacturing and analysis
Kompozit yapıların eksenel yük altında enerji emilimi: Dizayn, üretim ve analiz
- Tez No: 832294
- Danışmanlar: PROF. DR. NURİ BÜLENT ERSOY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 150
Özet
Geometry has a significant influence on Specific Energy Absorption (SEA) of composite structures. However, the variation of crush induced failure mechanisms with the change in geometry and the way they affect energy absorption capability has not yet been fully clarified. Moving from simple to complex structures, this dissertation aims to conduct a systematic study investigating the influence of geometry on SEA and to design a novel crash box geometry which has a better performance than those currently in use. For that purpose, an experimental investigation is conducted first for the crushing process of the flat, semi-circle, and sinusoidal structures with different dimensions made of both unidirectional and woven fabric prepregs. The results are compared, and variation of the observed failure mechanisms are discussed. The sinusoidal geometry having the highest SEA is identified to utilize in the design of a novel crash box geometry. Design process based on trial and error through manufacturing and testing, on the other hand, is time consuming and expensive so that researchers are currently interested in Finite Element (FE) Model predictions. However, due to the complexity of the process, FE models applied to estimate the SEA of composites require high computational time. This dissertation proposes a novel numerical approach applied for the crushing process of composite structures in which computational cost is decreased by reducing the number of interfaces between plies and modifying the relevant properties. The novel approach is first applied to composite flat plates and later validated by modelling sinusoidal geometries. The same approach, which can estimate the SEA of the structures in more than 50% less time than conventional methods, is then utilized in the design process of a crash box geometry. As a result of various modelling attempts, a novel geometry, which is called“Sun-like Structure”is manufactured and tested. Results show that the SEA of the final geometry is 2.3 times and 16% higher than the flat plates and the single sinusoidal structures, respectively. In the final part of the thesis work, tapering is applied to edges of the crash box structure so that the initial peak load is decreased to prevent an excessive deceleration causing a fatal damage to the passengers during a crush event.
Özet (Çeviri)
Geometri, kompozit yapıların özgül enerji emilimini (ÖEE) etkileyen önemli faktörler arasındadır; ancak, ezilme kaynaklı hasar mekanizmalarının geometri farklılaştığında nasıl değiştiği ve enerji emilim kapasitesini nasıl etkilediği literatürde tam olarak açıklığa kavuşturulmamıştır. Bu tez çalışmasında basitten karmaşık yapılara doğru ilerleyerek geometrinin ÖEE üzerindeki etkisini ortaya koyan sistematik bir çalışma kurgulanması ve yeni bir geometri tasarlanması hedeflemektedir. Bu nedenle düz ve örgü kumaş kullanılarak üretilen düz, yarım daire ve sinüs yapıların hasarlanma süreçlerini inceleyen deneysel bir çalışma yürütülmüştür. Sonuçlar karşılaştırılmış ve hasar mekanizmalarının farklı geometrilerdeki değişimi tartışılmıştır. Ayrıca, çarpışma kutusu tasarım sürecinde kullanılmak üzere en yüksek ÖEE'ye sahip sinüs yapı geometrisi saptanmıştır. Üretim ve test süreçleri üzerinden ilerleyen tasarım süreçlerinin oldukça pahalı ve zaman alan süreçler olması, araştırmacıları son zamanlarda Sonlu Eleman (SE) modelleri ile daha yakından ilgilenmeye yöneltmiştir. Öte yandan, yapıların enerji emilim kapasitesini tahmin eden modeller, kompleks hasar modlarından ötürü yüksek hesaplama sürelerine ihtiyaç duymaktadır. Bu tez çalışması kompozit yapıların eksenel yük altında ezilme simülasyonları için hesaplama süresini düşüren yenilikçi bir modelleme yaklaşımı önermektedir. Bu yeni yaklaşım, tabaka ve arayüz sayısının düşürülmesi ve ilgili malzeme değerlerinin modifiye edilmesini içermektedir. Yaklaşım önce düz plakalarda denenmiş, daha sonra sinüs yapılara da uygulanmıştır. Yapıların ÖEE değerini geleneksel modelleme tekniklerine göre yaklaşık %50 daha kısa sürede tahmin edebilen bu yöntem, çarpışma kutusunun tasarım sürecinde de kullanılmıştır. Tasarlanan“Güneş”geometrisi üretilip test edilmiştir. Sonuçlar, bu geometrinin düz tabakadan 2.3 kat, sinüs yapıdan ise %16 daha fazla ÖEE'ye sahip olduğunu göstermiştir. Çalışmanın son aşamasında, yolcularda aşırı ivmelenmeden kaynaklı ölümcül hasar oluşumunu engellemek için çarpma esnasında oluşan ilk yüksek yük değeri, oluşturulan çarpışma kutusunun kenarlarına açı verme işlemi yapılarak giderilmiştir.
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
- Karbon lif takviyeli polimer malzeme ile güçlendirilmiş betonarme kolonların eksenel yükler altında davranışı
Axial behaviour of reinforced concrete columns strengthened with carbon fiber reinforced polymers
EMRE KARAMUK
- 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
- Çoklu doğruluk dereceli modelleme tekniğinin çarpışma analizlerine uygulanması
Application of multi-fidelity modeling technique on crash analyses
BURAK YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLER
PROF. DR. ERDEM ACAR
- An experimental study on the behavior of square short concrete columns confined with hybrid frpunder monotonic axial compression stress
Monotonik eksenel basınç yüklemesi altında hibrit liflipolimer malzeme ile sargılanmış kare beton kolonların davranışı üzerine deneysel bir çalışma
BILAL IBRAHIM MAJEED AL-OUBAIDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEDİNE İSPİR ARSLAN