Design of multifunctional architected cellular structures under dynamic loads
Dinamik yükler altında çok fonksiyonlu mimarilendirilmiş hücreli yapıların tasarımı
- Tez No: 879053
- Danışmanlar: PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 185
Özet
Tez çalışması kapsamında eklemeli imalat teknikleri ile üretilebilecek mimarilendirme olasıkları ele alınmıştır. Bu kapsamda i-termoplastik kompozit fiber serim şeklinde ve ii-makro seviye gözenekli metal kafes geometrilerin üretilebilmesi ile mimarilendirme olmak üzere iki tipte eklemeli imalat üretimi çalışılmıştır. Literatürden ilgili çalışmaların incelenmesi ardından iki farklı eklemeli imalat tekniğinde (ergitme filament serimi ile üretim ve metal tozu yatağında üretim) numune üretimleri yapılmıştır. Üretimler sonrasında; sandviçler için sayısal olarak patlama, kafes yapı blokları için deneysel ve sayısal olarak sanki-statik ezme, ve sandviçler (alt üst yüzeyi plaka ve kafes yapı nüveli) için deneysel olarak düşük hızlı çarpma yükü altında yanıtları incelenmiştir. Hava ve uzay yapılarını hafifletme çalışmaları kapsamında hafif yapı tasarlanması yanısıra birden çok fonksiyonu olan yapısal bileşenlerin tasarlanması da bu amaca hizmet etmektedir ve bunların ürünleştirilmeleri kritik önemdedir. Örneğin, darbelere karşı koruma ve yük taşıma gibi görevleri olan bileşenlerin titreşim sönümleme ve ya ısı soğurma görevleri içinde kolaylaştırıcı olmaları çok fonksiyonluluk olarak isimlendirilebilir. Zırhlı araçlarda, çok iyi darbe enerjisini soğuran sandviç yapı örneklerinin ayrıca seyir halindeki araçta kabin içi titreşimi düşürmesi de buna bir örnektir. Günümüzde fiber takviyeli ve ya metal eklemeli imalat teknikleri ile yüksek mukavemetli hafif kompozitlerin ve ya alaşımların üretilmesi ve farklı mimarilendirilmiş malzemelerin ve ya hücreli kafes yapıların üretilmesi mümkün olmuştur. Farklı üretim proseslerinde optimum serimlerin ve ya ışın parametrelerinin tayin edilmesi ve ilgili ezme yüklerinde incelenmesi gerekmektedir. Çalışmanın bir amacı, hafif yeni nesil yapıların elde edilebilmesi için eklemeli imalat tekniklerinin kullanımının etkinliği araştırmaktır. Diğeri, çok fonksiyonlu görevlerde kullanılabilecek yapılar için üretilebilen mimarilendirilmiş yapıların ezilme ve şok yükü altında performansları araştırmaktır. Çalışma kapsamında ilk olarak literatürde örnekleri verilen devamlı fiber içerikli termoplastik matrisli serim eklemeli imalat üretimleri yapılmıştır. Burada mimarilendirme mantığının aslında katman bazlı özellikler (fiber serim konumu, kaç oranda devamlı fiber serimi yapıldığı), numunede kaç katman devamlı fiber serim yapıldığı, hangi tip devamlı fiberin matris ile tam bağlandığı gibi bilgilerin mimarilendirme hedefinin parçaları olduğu ve mekanik özellikleri güçlendirebileceği düşünülmüştür. Bu kapsamda deneysel olarak basma testleri ile gösterilmesi planlanmıştır. Yapılan basma deneyleri, dijital kamera ile gerinim verisi toplanması ve elektron mikroskobu ile gözlemler sonrasında sonuçlar yorumlanmıştır. Devamlı fiber olarak; karbon fiber, cam fiber, aramid fiber kullanılmıştır. Matris elemanı olarak naylon ve karbon fiber parçacık takviyeli naylon seçenekleri değerlendirilmiştir. Bu seçeneklerin değerlendirilmesi için deney tasarım kümesi oluşturulmuştur. Yürütülen 18 ayrı deney çalışması bazıları tekrarlı elemanları olduğu alt deney tasarım kümelerinde değerlendirilerek basma yükü altında en verimli tasarımlar seçilmiştir. Sonraki adımda, farklı olarak, makro seviye gözenekli kafes yapılar mimarilendirilmiş malzemeler olarak ele alınmıştır. Literatürde örnekleri verilen 3 boyutlu (3B) ve 2 boyutlu (2B) kafes yapılar ve rapor edilen enerji soğurma yetenekleri incelenmiştir. Değerlendirme sonunda 2B tipte kafes yapılardan negatif Poisson oranı sergileyen tasarımlar seçilmiştir. Bunların ağırlıkları 3B yapılara göre yüksek olsa da şu nedenlerden ötürü tercih edilmiştir. 1) yüksek şok etkisinde daha yüksek dayanım ve rijitlik gereksinimi 2) Çok fonksiyonlu görevlerde kanal için yönlendirilmiş akış imkanı 3) 2B tasarımların davranışlarının henüz anlaşılmamış oluşudur. Negatif Poisson oranı sergileyen 2B tasarımların bal peteği yapılara göre eksen içi yüksek kayma mukavemeti sergiledikleri literatürde raporlandıkların ötürü çarpma enerjisi soğurmada aday yapılar olarak seçilmişlerdir. Devamında, 2D kafes bazlı metamalzeme sınıfındaki üç farklı kafes blok (anti-tetrakiral (ATC), çift ok uçlu (DAH) ve ağaç benzeri re-entrant (TLR) kafes blok) için üretimler yapılmıştır. Bunun için, yaklaşık olarak 50 mm x 50 mm x 25 mm (en x boy x derinlik) boyutları ile metal tozu yatağında elektron ışın ergitme tekniğinde üretim yapan ARCAM markalı cihazda ve Ti6Al4V tozu kullanılarak üretilmiştir. Üretimler öncesi üretim proses parametrelerinin etkisini inceleyebilmek için her geometri için toz yatağında 0 ve 45 derece açılarda üretimler yapılmıştır. Ayrıca her açı yöneliminde yavaş, hızlı ve cihazın kendi hız fonksiyonu ile üretimler yapılmıştır. Yani her geometri 6 farklı şekilde üretilmiştir. Bununu için öncelikle kübik (1 cm x 1 cm x 1 cm) geometriler proses parametre aralığında üretilmiştir. Görsel test ve inceleme sonucunda kısa liste oluşturulmuş ve seçilen üç farklı kombinasyon (cihaz hız fonksiyonu, hızlı ve yavaş tarama) için birim hücreler üretilmiştir. Bunlar mikrokarekterizasyon işlemleri için kullanılmıştır. Devamında 50 mm x 50 mm x 25 mm (en x boy x derinlik) boyutları ile latis blokları üretilmiştir. Basma test unitesinde sanki-statik ezme deneyleri yapılarak kafes yapıların enerji soğurma yetenekleri karşılaştırılmıştır. İlk olarak, çift ok uçlu kafes yapılar özelinde inceleme yapılmıştır. Yavaş hızda elektron ışını tarama ile üretilen numuneler, hızlı tarama ve hız fonksiyonlu tarama ile üretilen numunelerden daha yüksek ezilme enerji soğurma yeteneği göstermişlerdir. Bu durum 0° yönelimde üretimlerde 45° yönelimde üretimlere göre daha belirgindir. Ayrıca 45° yönelimde açıda üretilen numuneler daha yüksek enerji soğurma yeteneği sergilemişlerdir. Daha sonra, üç farklı geometrinin 0° yönelimde üretilen numuneleri için ezme deneyleri yapılmıştır. Her geometri için kendi içerisinde yapılan karşılaştırmalarda anti-tetrakiral kafes tasarımı hariç hepsinde düşük hızda tarama ile üretimlerin diğer iki tip üretimden daha yüksek ezilme enerjisini soğurma yeteneği sergilediklerini göstermiştir. Anti-tetakiral kafeslerde ise tasarımın kendi içerisinde birçok noktada aynı anda lokal kırılma oluşturacak yapısından ötürü standart sapmalar yüksek olmuştur. Bu durumda diğer mükemmelliyetsizlik faktörleri tarama hızının etkisinden baskın gelebilmiştir. Birim hücrelerde, mikroyapı incelemeleri taramalı elektron mikrokobu (SEM) ile yapılmış olup düşük hızda tarama ile üretilen numunelerde en düşük kalıntı gerilme olduğu görülmüştür. Ezme deneyleri tamamlanan üç farklı geometrideki kafes yapı blokları için, Abaqus yazılımında sonlu eleman analiz modelleri oluşturulmuş ve açık tip çözücüsünde analizler yürütülmüştür. Geometriler üzerinde ağ örgüsünü doğru oluşturabilmek için uygun bölümlemeler (partitions) yapılmıştır. Çift ok uçlu tasarımda deneylerden elde edilen çıktılarda kolonlar arası erken ayrılmalar mükemmelliyetsizlik olarak değerlendirilerek sayısal analizlerde tanımlanmıştır. Bu sayede deneylerle uyumlu ezilme deformasyon davranışı elde edilmiştir. Anti-tetrachiral tasarımlı kafes blok için deneylerde V şekilli kesme bandı formasyonu gözlemlendiğinden ötürü analizlerde buna uygun mükemmelliyetsizlik noktaları tayin edilmiş ve uyumlu enerji soğurma eğrisi elde edilmiştir. Ağaç benzeri re-entrant tasarımlı kafes yapı için deneylerde sıra sıra ezilmeler ve kuvvet eğrilerinde buna bağlı pik artış ve azalışları görülmüştür. Bu davranış ile uyumlu olarak analiz modelinde mükemmelliyetsizlikler kullanılarak analizler oluşturulmuştur. Çalışmanın devamında, 2B metamalzeme sandviç yapıların üretilmesi ve lokal darbe/çarpma altında yanıtlarının anlaşılması hedeflenmiştir. Buna göre, iki tip 2B kafes yapıyı (anti-tetrakiral ve ağaç benzeri re-entrant) nüve olarak içeren sandviç yapılar üretilmiştir. Karşılaştırmak üzere ise üçgen tip çubuk yani konvansiyonel tip geometrili nüve barındıran sandviç yapı üretimleri gerçekleştirilmiştir. Üretimler, metal tozu yatağında lazer ile ergitme prosesi (laser powder bed fusion-PBF-L) ile yapılmıştır. Numuneler, 2 mm yüzey plakaları ve 20 mm nüve içeriyor olup üretimler sonunda çarpılma ve ya şekil bozulmaları gözlemlenmemiştir. Üretilen numuneler literatürden tayin edilen ısıl işlem prosesi ile vakumlu ortam olarak temizlenmiş fırında argon gazı basılarak devamında 900 C üstüne ısıtılmıştır. Hedeflenenler; kalıntı gerilmelerin giderilmesi ve malzeme mikroyapısında esneme/uzama değerinin artırılmasıdır. Dikkat edilen husus ise deneme numunelerinde oksitlenme tabakasının belli bir değerin altında tutulmasıdır. Literatürde verilen üretim sonrası ısıl işlem uygulama içeren çalışmalarda sıcaklık, vakum oranı ve ortam argon gazı miktarı ile ilişkili olarak numunelerde elde edilen dayanım değişimi, uzama değişimi ve oksitlenme tabakası miktarları karşılaştırılmış ve prosedür buna göre belirlenmiştir. Deneme çalışmalarında, oksitlenen tabakanın %10'un altında olması ile süreç ilerletilmiştir. Bu sandviç yapılar, yakın mesafeli lokalize patlama ve ya düşük hız darbe deneylerinde kullanılabileceği değerlendirilerek üretilmiştir. Ancak, tez kapsamında düşük hızlı darbe yanıtlarını lokal alanda ölçebilmenin ilk etapta faydalı çıktılar oluşturulacağı değerlendirilerek 20 mm çaplı yarım küre çarpan kafa ile düşük hızlı darbe deneyleri (1000 J ve 5.35 m/s) yürütülmüştür. Farklı geometrilerde meydana gelen yırtılma miktarları, son görüntüleri, kuvvet- zaman yanıtları, ve enerji-zaman yanıtları karşılaştırılmıştır. İlgili boyutlarda sandviçlerin üretilebildiği görülmüş olup tez süre ve kapsam limitleri göz önüne alınarak belirli bir topolojinin patlama sonlu eleman çözüm metodolojisi oluşturulmuştur. Öncelikle literatürden çalışmalar örneklenerek sayısal modellerin yakınsamaları arttırılmıştır. Bunun için Lagrange yaklaşımı ve katı sıvı etkileşimi sağlayan Rastgele Lagrange Euler temelli (ALE) yaklaşımı ve hesap yükü daha az olan Lagrange temelli LBE yönteminde modelleme yapılmıştır. ALE yönteminde ek olarak hesap yükünü düşürmek için 2 boyutta çözüm yapılmış, sandviç yapıya yakın noktada analiz 3 boyutta aktarılıp ilerletilmiştir. Elde edilen sonuçlar orta noktadaki çökme değeleri literatürden örnek deneyler ile karşılaştırılmıştır. ATC topoloji sandviç için sayısal çözüm yürütülmüş ve sayısal çözümlerin limitleri ve sağlayabilecekleri eklemeli imalat topolojiler için anlaşılmıştır. Sonuç olarak, mimarilendirilmiş malzeme örneği olarak farklı devamlı fiber seçenekleri ile üretimlerin basma yükünde yanıtları karşılaştırılmıştır. Daha düşük mukavemeteki cam elyafın matris malzemesi naylon ve ya Onyx ile aramid ve karbon elyaftan daha iyi bağ yapması ile daha ucuza mukavim çözümlerin olabileceği görülmüştür. Bu durumda mimarilendirmenin doğru yapılması ile katmanlı yığma eklemeli imalat ile termoplastik polimer matrisli devamlı fiber takviyeli üretimde en mukavim seçeneklerin elde edilebileceği görülmüştür. Mimarilendirmenin basma testleri ile kontrolü ile başarı ile tasarım süreci oluşturulabilmiştir. Sonraki adımda farklı tip mimarilendirme için kafes blokları PBF-EB üretilebilmiş ve farklı yön ve üretim proses özellikleri ile farklı enerji soğurma kabiliyetleri sergiledikleri görülmüştür. Kafes yapı şeklinde nüve içeren sandviçler çarpılma ve şeklinde diğer bozulmalar olmadan PBF-L ile üretilmiş ve darbe yükü altında yanıtları deneysel olarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre metal eklemeli imalat süreçleri etkin şekilde zırh, hava uzay yapılarında lokal koruma ekipmanı gibi görevlerde kullanılabileceği görülmüştür. Ancak, ürün gereksiniminde alt-üst performans değerlerinin karşılanıp karşılanmadığı ele alınmalıdır. Buna göre; üretim yöntemi, üretim yönlenmesi, üretim proses parametreleri gibi değerler tam ve detaylı olarak incelendiğinde ancak ürün gereksinimini karşılanıp karşılanmadığı anlaşılabilecektir. Hava-uzay yapılarında çok fonksiyonlu görevlerde yüksek sıcaklığa dayanklı termoplastik matrisli ve mukavim devamlı fiber içerikli mimarilendirilmiş malzemelerin kullanımı için giriş deformasyon gözlemleri yapılmıştır. Devamında, termal akış alanı olarak da kullanılabilecek 2B hücreli Ti6Al4V malzemeden yapıların zırh ve ya çarpma enerjisi sönümleyecek koruma kalkanı olarak kullanılması için deney ve analizler yürütülmüştür. Sonraki çalışmalarda bu ve farklı geometrilerin termal görevlerdeki performansları deneysel olarak incelenebilecektir.
Özet (Çeviri)
Within the scope of the thesis, geometries that can be produced using additive manufacturing techniques were examined, and the selected geometries were manufactured under the most suitable production process conditions. Their responses under quasi-static and dynamic (impact load) conditions were investigated. In addition to the need for weight reduction in aerospace structures, the design and production of structural components with multiple functions are of critical importance. For instance, components that have tasks such as protection against impacts and load-bearing can also facilitate tasks such as vibration damping or heat absorption, which can be referred to as multifunctionality. In armored vehicles, the example of sandwich structures that effectively absorb impact energy while reducing in-cabin vibration during vehicle movement exemplifies this concept. Nowadays, it has become possible to produce high-strength and lightweight composite materials using continupus fiber based fused filament fabrication and alloys using metal additive manufacturing techniques. Those have made possible to produce architected materials with enhanced mechanical properties such as micro/macro level porous and lattice structures. Determining the efficient layering for fused filament fabrication, optimum laser or beam parameters in the powder bed production process and examining them under dynamic loads are necessary. One goal of the study is to investigate the applicability of new generation production techniques in obtaining lightweight structures. Another goal is to investigate the certain performance response (compression) of architectured structures that can be produced for multifunctional applications under crushing and shock loads. In the study, additive manufacturing techniques such as continuous fiber based fused filament fabrication, electron beam powder bed fusion and laser powder bed fusion were used to manufacture solid composite samples with a different architected base (different continuous fibers, different orientations and distributions of fibers), cellular lattice structures and sandwich structures, respectively. Productions in continuous fiber based fused filament fabrication technique were made to have various fiber material (glass fiber, carbon fiber, aramid fiber), fiber distrubution, fiber orientation in the architected material class. Productions in electron beam powder bed process were made for three different lattice blocks in the 2D lattice structures based metamaterials class (anti-tetrachiral, double arrow-headed, tree-like re-entrant). Electron beam powder bed fusion was used to produce these lattice blocks in two different production orientations (0° and 45°) and three different beam scanning speeds (speed function, low speed, high speed). The aim was to understand the differences in their crushing responses. Compression tests were conducted using compression test units to compare stress-strain curves and the energy absorption capabilities of the lattice structures, respectively. In the 2D lattice structures based metamaterials class, sandwiches with two different cores (anti-tetrachiral and tree-like re-entrant) and a sandwich with triangular type conventional core were manufactured using laser powder bed fusion process. The designs were in the form of sandwich structures with 2 mm surface plates and 20 mm core height. These sandwich beams were used to measure their responses localized impact experiments under the low velocty impact conditions using a CEAST low velocity test system. As the sandwich beams with auxetic topologies exhibited stiff response, the sandwich with conventional triangular topology exhibited higher energy absorption and did not broke due to failures of both facesheets. As a result, solid blocks with different continuous fiber reinforcements were succesfully produced using continuous fiber based fused filament fabrication technique and optimum architectured composite materials were obtained within the design of experiment set. Then, Ti64 lattice blocks were successfully produced using PBF-EB and exhibited different energy absorption capabilities based on different orientations and production process characteristics. Those were employed to observe their compression response. Lastly, sandwich structures with lattice core were produced without any deformation in PBF-L and their responses under low velocity impact loads were experimentally observed. The tests revealed that when same material stock was employed to build sandwich beams in powder bed fusion process, stiff/thick facesheets are required for stiff core topologies while less stiff cores enable higher energy absorbent response due to importance of plastic deformations during the impact loads.
Benzer Tezler
- Elhamra Pasajı koruma sorunlarının değerlendirilmesi
Evaluation on issues as regards preservation of Elhamra Passage
YEŞİM ÖZÇELİK YAŞARLAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZELİHA HALE TOKAY
- Esnek ve adapte olabilir konutlar için değerlendirme rehberi
An Evaluation guide for flexible and adaptable dwellings
NEBAHAT UZEL
- Mimari tasarımın şiddeti ve karşı stratejiler
Violence of architectural design and counter strategies
TUĞÇE ALKAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SIDIKA ASLIHAN ŞENEL
- A new approach for building facades for different climate regions: Biomimetic skin
Farklı iklim bölgelerindeki bina cephe tasarımları için yeni bir yaklaşım: Doğa esinli yüzeyler
ALA'A AL-DEEN AL JADA'AN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
MimarlıkGazi ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. SEMRA ARSLAN SELÇUK
- Büyük Mecidiye Camisi Hünkar Kasrı restorasyon ve konservasyon projesi
The restoration and conservation projects of Sultan Kiosk of Büyük Mecidiye Mosque
NEVRİYE ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ERSEN