Geri Dön

Parametric investigation of mechanical properties of auxhex unit cell sandwich structures

Auxhex birim hücreli sandviç yapıların mekanik özelliklerinin parametrik olarak incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 887300
  2. Yazar: KADİRCAN SAYGI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ KAAN YILDIZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 85

Özet

Geçmişten günümüze, mühendisler ve bilim insanları, istenilen performansı sağlayacak malzemeler ve yapılar geliştirmek için durmaksızın çaba göstermişlerdir. Daha yüksek mukavemet, darbe sönümleme yeteneği, ve hafiflik gibi üstün özelliklere sahip yepyeni malzemeler geliştirilmiştir. Bu sayede, daha önce imkansız olduğu düşünülen ürünler ve yapılar mümkün hale gelmiştir. Sandviç panellerde dolgu görevi gören hücresel petekli yapılar, sağladıkları yüksek mekanik özelliklerle bu çabaların sonucunda elde edilen yapılara bir örnek oluşturur. Teknolojinin ilerlemesiyle mühendislik, birçok alanda çığır açmaktadır. Gelişen teknolojiyle beraber bilgisayar destekli mühendislik çalışmaları artmış, artan bu çalışmalarla beraber yeni üretim yöntemleri ortaya konmuş ve bu sayede farklı tipte malzemeler ve yapılar ortaya çıkmıştır. Mühendislik anlamında bütün bu gelişmelerin ışığında ortaya çıkan teknolojiler ve yenilikler, farklı teknik alanlarda büyük ölçüde ilerlemeler kaydedilmesine neden olmuştur. Bu çalışmada, klasik altıgen balpeteği birim hücre yapısının ökzetik birim hücre yapısı ile bir araya getirilmesi sonucu ortaya çıkan hibrit birim hücrelerden oluşan AuxHex yapısının, geometrik parametreleri değiştirilerek eksenel basma yükü altında sergilediği mekanik özellikleri incelenecektir. Hücresel petekli yapılar çoğunlukla sandviç panellerde dolgu malzemesi olarak kullanılmaktadır. Mühendislik uygulamaları için tasarlanan bu düşük yoğunluklu ve hafif yapıların temel amacı, yüksek rijitlik-ağırlık oranı elde etmektir. Düşük yoğunluklu hafif yapılar, özellikle sandviç paneller ve dolgu malzemeleri, havacılık, otomotiv, denizcilik gibi endüstrilerde ve askeri mühendislik uygulamalarında darbe ve patlamaya karşı ezilme dirençleri açısından kritik önem taşır. Sandviç panellerin üst ve alt yüzeyleri, genellikle fiber takviyeli kompozitler veya alüminyum alaşımlar gibi hafif malzemelerden yapılır. Mükemmel mekanik performansı, yüksek mukavemeti ve enerji absorbe etme yeteneği nedeniyle sandviç panellerde kullanılan hücresel yapılar, havacılık ve uzay endüstrilerinde sıklıkla tercih edilir. Hücresel petekli yapıları oluşturan birim hücrelerin tasarım ve optimizasyonu, hücresel yapıların mekanik özelliklerinin geliştirilmesine olanak sağladığından giderek daha popüler bir araştırma konusu haline gelmektedir. Farklı birim hücre şekillerinin yük altında nasıl deforme olduklarına ve tepki gösterdiklerine bakılarak, bu hücresel yapılar üç kategoriye ayrılabilir: pozitif Poisson oranına sahip olanlar, sıfır Poisson oranına sahip olanlar ve negatif Poisson oranına sahip olanlar. Arılar tarafından ortaya çıkarılan doğal balpetekleri gibi, klasik altıgen şeklindeki balpeteğinden birim hücrelere sahip yapılar pozitif Poisson oranına sahip malzemelerin başlıca örneklerindendir. Lakin, bu geleneksel altıgen balpeteği yapılarını iyileştirmenin sınırlı olduğu zamanla görülmüştür. Bunun nedeni, optimal mekanik özellikler için tasarımları fazlaca esnetebilme imkanı olmamasıdır. Ökzetik malzemeler ise pozitif Poisson oranına sahip klasik malzemelere kıyasla sıra dışı bir mekanik davranış sergiledikleri için bu sorunun üstesinden gelmede önemli bir rol oynarlar. Bu tip malzemeler, çekme yükleri altında yanal genişleme ve basma yükleri altında yanal daralma özelliği gösterdiklerinden negatif Poisson oranına sahip malzemeler olarak da bilinir. Bu özellik, çekirdek ve dolgu malzemesi olarak kullanıldıklarında birçok avantaja sahip olmalarını sağlar. Negatif Poisson oranına sahip ilk sentetik malzeme 1987 yılında Lake tarafından tanıtılmıştır. Bu malzemeleri tanımlamak içinse 1991 yılında Evans tarafından“ökzetik”kelimesi ortaya atıldı. Negatif Poisson oranına sahip ökzetik yapılar, geleneksel pozitif Poisson oranına sahip olanların ötesinde benzersiz özelliklere sahip oldukları için metamalzemeler olarak da adlandırılır. Literatürdeki pozitif veya negatif Poisson oranına sahip yapılarla ilgili çalışmalara rağmen, zaman içerisinde hem pozitif Poisson oranı hem de negatif Poisson oranı özelliklerini gösteren hücresel yapılara ihtiyaç duyulmuştur. Bahsi geçen klasik altıgen şeklindeki birim hücrelerle ökzetik altıgen birim hücrelerle hibritleyerek ortaya çıkan AuxHex hücre yapısı hem pozitif Poisson oranına sahip hem de negatif Poisson oranına sahip yapıların farklı avantajlarından yararlanmak için tasarlanmıştır. Yapılan çalışmalarda iki farklı hücre yapısının bir araya getirilmesiyle ortaya çıkan AuxHex yapısının düzlem içi basma yüklerine karşı daha iyi bir dayanım değeri verdiği gözlemlenmiştir. Bu bağlamda AuxHex hücrelerinden oluşan yapıların tasarım parametrelerinin farklı değerler alarak bu değişikliklerin yapının mekanik özelliklerine etkisi gözlemlenmiştir. Bilindiği kadarıyla AuxHex birim hücresinin farklı değerlerdeki tasarım parametrelerinin ve bunların mekanik özelliklere etkisi detaylı olarak incelenmemiştir. AuxHex yapısının hem klasik altıgen şeklindeki balpeteği hücrelerin hem de ökzetik altıgen hücrelerin avantajlarından yararlanmak üzere tasarlanmış olması nedeniyle bu çalışma, tasarım parametrelerinin etkilerini ve birim hücrenin mekanik özelliklerinin nasıl iyileştirilebileceğini incelemeyi amaçlamaktadır. Sonuçlar, birim hücreyi tanımlayan tasarım parametrelerinin değiştirilmesiyle mekanik özelliklerin ne kadar geliştirilebileceğini göstermektedir. Bu sayede AuxHex yapılar için optimum tasarım çözümleri geliştirilebilmesi amaçlanmaktadır. Çeşitli tasarım parametrelerin AuxHex yapısının mekanik özelliklerine etkisini incelemeden önce literatürdeki uygun bir çalışma ile AuxHex yapısı, ticari sonlu elemanlar analiz programı ABAQUS 2020 yardımı ile simüle edilerek bir doğrulama çalışması gerçekleştirilmiştir ve bu doğrulama çalışmasıyla elde edilecek sonuçlar sayesinde diğer AuxHex yapılarının sonlu elemanlar modelleri ve analizleri için sınır ve yükleme koşulları, tanımlanacak malzeme özellikleri vb. değişkenler belirlenmiştir. Ardından AuxHex birim hücre yapısını ortaya çıkaran eğik duvar hücre uzunlukları, düz duvar hücre uzunlukları, açıları ve duvar kalınlıkları gibi geometrik parametreleri değiştirilerek dokuz (9) farklı geometrideki AuxHex sandviç yapılarındaki elastisite modulü, basma yükü altındaki dayanımı, farklı birim şekil değiştirme değerlerindeki enerji emme kapasitesi ve tokluğu gibi mekanik özellikleri incelenmiştir. Bu mekanik özelliklerden elastisite modulünü ve basma yükü altındaki dayanımını analiz edebilmek için hem literatürde kullanılan teorik formüllerden hem de sonlu elemanlar analiz sonuçlarından faydalanılmıştır. Dokuz (9) farklı geometrideki AuxHex yapısının farklı birim şekil değiştirme değerlerindeki absorbe edilen enerji ve tokluk değerini bulmak ve kıyas yapabilmek içinse sonlu elemanlar programından elde edilen sonuçlar kullanılmıştır. Sonlu elemanlar analizleri sonucu elde edilen kuvvet-yer değiştirme grafikleri gerilme-birim şekil değiştirme grafiklerine dönüştürülmüştür. Ortaya çıkan farklı gerilme-birim şekil değiştirme grafikleri MATLAB programında eğri uydurma fonksiyonuyla beraber integre edilerek farklı birim şekil değiştirme değerlerindeki absorbe edilen enerjiler ve tokluk değerleri elde edilmiştir. Bu grafikler aynı zamanda dokuz farklı AuxHex modelinin elastisite modullerini ve basma kuvveti altındaki dayanımlarını bulmak için de faydalı olmuştur. Yapılan bütün bu çalışmalar neticesinde artan düz ve eğik duvar uzunluklarıyla beraber sandviç yapısının elastiste modulünün, basma kuvvetleri altındaki dayanımının, enerji absorbe edebilme yeteneğinin ve tokluğunun düştüğü gözlemlenmiştir. Lakin, artan birim hücre duvar kalınlıklarıyla beraber bütün bu mekanik özelliklerin ciddi derece artış gösterdiği ve yapıya pozitif etki ettiği sonucuna varılmıştır. Ek olarak birim hücreleri tasarlayabilmek için kullanılan açı değerinin artmasıyla AuxHex sandviç yapısının elastiste modulünün, basma kuvvetleri altındaki dayanımının, enerji absorbe edebilme yeteneğinin ve tokluğunun düştüğü sonucuna varılmıştır. Son olarak, dokuz farklı AuxHex sandviç yapısının gerilme-birim şekil değiştirme grafiklerinin bir arada gösterilmesiyle, yapıdaki çökme davranışının büyük ölçüde düz duvarların uzunluğundaki değişime bağlı olduğu görülmektedir.

Özet (Çeviri)

In this study, the mechanical properties of the AuxHex structure, which consists of hybrid unit cells obtained by combining the classical hexagonal honeycomb unit cell structure with the auxetic unit cell structure, are investigated under axial compressive loads by changing the geometric parameters. In the studies carried out, it has been observed that the AuxHex structure, which is obtained by hybridizing two different cell structures, has a better strength value against in-plane compressive loads. Before investigating the effect of geometric parameters on the mechanical properties of the AuxHex structure, a validation study was performed by analyzing the AuxHex structure using the ABAQUS 2020 commercial finite element program with an appropriate study in the literature and based on the results of this validation study, the boundary and loading conditions, material properties to be defined, and other variables for finite element models and analyses of other AuxHex structures have been determined. Subsequently, the mechanical properties, including Young's modulus, yield strength, energy absorption capacity under different strain values, and toughness were investigated for nine (9) different geometries of AuxHex sandwich structures by varying geometric parameters such as inclined and non-inclined wall cell lengths, angles, and wall thicknesses that characterize the AuxHex unit cell structure. To analyze the Young's modulus and yield strength among these mechanical properties, both theoretical formulas used in the literature and finite element analysis results were utilized. The results obtained from the finite element analyses were employed to determine and compare the absorbed energy under certain strains and toughness values of nine (9) different AuxHex structures. The force-displacement graphs obtained from the finite element analyses were converted into stress-strain graphs. The resulting stress-strain graphs were integrated by using a curve fitting function in the MATLAB program to obtain the absorbed energies and toughness values at different strains values. These graphs were also useful for determining the Young's modulus and strengths. As a result of all these studies, it was observed that the elastic modulus, yield strength, energy absorption capacity, and toughness of the sandwich structure decreased with increasing inclined and non-inclined wall lengths of AuxHex unit cells. However, it was concluded that all these mechanical properties increased significantly and had a positive effect on the structure with increasing AuxHex unit cell wall thicknesses. Finally, it was concluded that the elastic modulus, yield strength, energy absorption capacity, and toughness of the AuxHex sandwich structure decreased with increasing angle values used to design the AuxHex unit cells, and lastly, the combination of all AuxHex structures' stress-strain graphs in one shows that the collapse behaviour of structure appears to be largely related to the change in the length of non-inclined wall.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    860833

    Yüksek basınçlı enjeksiyon döküm ötektik Al-Si alaşımlarında modifiye edici ve tane inceltici elementlerin etkisi

    Investigation of modifier elements effect in the high pressure injection casting for eutectic Al-Si alloys

    ALPASLAN KILIÇARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATEM AKBULUT

  2. Tez No

    510636

    Aljinat filmlerinde dış çapraz bağlama ve gliserin katkısının yapı ve fiziksel özelliklere etkileri

    Effect of calcium crosslinking and glycerol plasticizing in alginate films

    MELİSA BERBEROĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATİCE HÜCESTE GİZ

  3. Tez No

    382263

    Hafif ticari araçlarda dış dikiz aynalarının mekanik titreşim özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of the mechanical vibration properties of external rear view mirror on the ligth commercial vehicles

    SELMA YILDIRIM ARAS

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SEVDA TELLİ ÇETİN

  4. Tez No

    805841

    Farklı lazer gücü ve tarama hızlarında slm ile üretilen metal altyapıların porselen bağlantı dayanımlarının incelenmesi

    Investigation of the porcelain bond strength of metal frameworks manufactured by slm with different laser power and scanning speed

    BETÜL KARAHASAN

    Diş Hekimliği Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Diş HekimliğiSivas Cumhuriyet Üniversitesi

    Protetik Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DERYA ÖZDEMİR DOĞAN

  5. Tez No

    271567

    Yangın geçirmiş çelik binaların dayanımlarının araştırılması

    Investigation of lateral strength of steel buildings subject to fire

    MEHMET TOYANÇ YAZGAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    İnşaat MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Deprem ve Yapı Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BÜLENT AKBAŞ

Geri Dön