Innovative approaches for mechanical characterization and failure analysis in complex and functional composite structures: A fusion of SHM, NDT, and FEA techniques
Kompleks ve fonksı̇yonel kompozı̇t yapılarda mekanı̇k karakterı̇zasyon ve hasar analı̇zı̇ ı̇çı̇n yenı̇lı̇kçı̇ yaklaşımlar: SHM, NDT ve FEA teknı̇klerı̇nı̇n bı̇rleşı̇mı̇
- Tez No: 898792
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kompozit Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
Fiber takviyeli polimer (FTP) kompozitler, gelişmiş özgül mukavemetleri, yüksek yorulma performansları, korozyon direnci ve istenen nihai şeklin uygun maliyetli bir şekilde elde edilmesi için gereken üretim kolaylığı gibi özelliklerinden dolayı ileri mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu büyük potansiyel, bilim camiasını karmaşık mühendislik problemlerini çözmek için özel FRP yapılarını kullanmaya teşvik etmektedir. Bununla birlikte, FTP'lerin karmaşık mikro yapısı nedeniyle, mekanik özelliklerini tahmin etmek, arıza davranışlarını araştırmak ve etkili yapısal sağlık izleme (structural health monitoring-SHM) teknikleri geliştirmek, endüstride kullanımları için çok önemlidir. Bu nedenle, bu tezde, üç boyutlu dokuma kompozitler ve yapıştırıcı ile bağlanmış kompozit onarım yapıları gibi iki karmaşık kompozit yapı örnekleri incelenmiştir. Çalışmanın başında üç boyutlu dokuma kompozitlerin mekanik davranışını tahmin etmek için yeni birçok ölçekli analiz tanıtılmaktadır. Bu çalışmada, temsili birim hücre modelleri oluşturmak için bilgisayar destekli tasarım ve sonlu elemanlar analizi (finite element analysis-FEA) kullanılmakta, böylece bilgisayarlı tomografi (computed tomography-CT) taramalarına gerek kalmadan mezo-modelleme basitleştirilmektedir. Temsili birim hücrenin mezo-modellemesinin doğruluğu, elde edilen sonuçların literatürdeki deneysel sonuçlarla karşılaştırılmasıyla kanıtlanmaktadır. Ayrıca, önerilen metodolojinin çekme ve eğilme testlerine göre doğrulanması, yöntemin güvenilirliğini ve sandviç malzemeler gibi karmaşık kompozit yapılara uygulanabilirliğini teyit etmektedir. Ek olarak, cam/Kevlar hibridizasyonunun vakum infüzyon yoluyla üretilen üç boyutlu dokuma kompozitlerin çekme ve kesme özellikleri üzerindeki etkisi incelenmektedir. Bu tez, dijital görüntü korelasyonu ve akustik emisyon analizi kullanarak katlar arası ve kat içi hibridizasyonları karşılaştırarak, bu yöntemlerin kompozitlerin rijitliğini ve dayanımını nasıl etkilediğini açıklığa kavuşturmaktadır. Buna dayanarak hazırlanan tez, eğilme ve düşük hızlı darbe testleri altında üç boyutlu dokuma kompozitlerin E-cam elyaf hibridizasyonunun etkinliğini değerlendirmektedir. Taramalı elektron mikroskobu (scanning electron microscopy-SEM) ve lock-in termografi (Lock-in Thermography-LIT) aracılığıyla gerçekleştirilen hasar sonrası numune analizleri, hibridizasyonun hasar gelişimi üzerindeki etkisine ışık tutmaktadır. Son olarak, tez, yapıştırıcı ile bağlanmış kompozit onarım yapılarında SHM için yenilikçi bir in-situ akustik emisyon tabanlı metodoloji sunmaktadır. Bu metodoloji, hasarı etkili bir şekilde tespit edip tanımlamanın yanı sıra erken yükleme aşamalarında arıza modlarına ilişkin tahminler de sağlamaktadır. Bu yeni yaklaşım, farklı yama yapılarına sahip iki tamir sisteminde doğrulanmaktadır. Bu tez, üç boyutlu dokunmuş ve onarılmış kompozitler de dahil olmak üzere karmaşık yapılarda mekanik ve arıza davranışının anlaşılmasını geliştirmek için gelişmiş SHM teknikleri ve yeni bir modelleme yaklaşımı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Fiber-reinforced polymer (FRP) composites have been extensively employed in advanced engineering applications owing to their improved specific strength, good fatigue performance, corrosion resistance and simplicity of manufacturing for attaining the desired final shape in a cost-effective manner. This great potential encourages the scientific community to use tailored FRPs structures to solve complex engineering problems. However, due to the complex microstructure of FRPs, predicting their mechanical properties, investigating their failure behavior and developing effective structural health monitoring (SHM) techniques are essential for their adoption in the industry. Hence, in this thesis, two examples of complex composite structure, i.e., three-dimensional woven composites (3DWCs) and adhesively bonded composite repair structures, are investigated. The study begins with introducing a novel multiscale analysis for predicting mechanical behavior of 3DWCs. This method utilizes computer aided design for generating representative unit cell models and finite element analysis (FEA), thereby simplifying meso-modeling without requiring computed tomography (CT) scans. The accuracy of meso-modeling of the representative unit cell is proven by comparing the obtained results with the experimental ones in the literature. Furthermore, the validation of the proposed methodology with respect to tensile and flexural tests confirms its accuracy and applicability to complex composite structures like sandwich materials. Additionally, the impact of glass/Kevlar hybridization on the tensile and shear properties of 3DWCs, manufactured via vacuum infusion, is examined. By comparing inter-ply and intra-tow hybridizations using digital image correlation and acoustic emission analysis, this thesis clarifies how these methods affect the stiffness and strength of the composites. Building on this, the thesis evaluates the effectiveness of E-glass hybridization of 3DWCs under flexural and low-velocity impact tests. Post mortem analysis, carried out via scanning electron microscopy (SEM) and Lock-in Thermography (LIT), sheds light on the influence of hybridization on damage evolution. Finally, the thesis presents an innovative in-situ acoustic emission-based methodology for SHM in adhesively bonded composite repair structures. This methodology effectively detects and identifies damage as well as provides predictions of failure modes at early loading stages. This novel approach is verified in two repair structures with distinct patch systems. This thesis presents advanced SHM techniques and a novel modeling approach to improve the understanding of mechanical and failure behavior in complex structures, including 3D woven and repaired composites.
Benzer Tezler
- Reliability studies of ultra-small copper-plated through-package-vias in ultra-thin glass interposers
Ultra-ince cam aracılarda ultra-küçük bakır-kaplamalı paket yollarının güvenilirlik çalışmaları
KAYA DEMİR
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGeorgia Institute of TechnologyElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAO TUMMALA
- 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
- Engineering M-Si (M:Ag,Cu) thin films as negative electrodes for lithium ion batteries
Lityum iyon bataryalarda negatif elektrot olarak kullanımları için M-Si (M:Ag,Cu) ince filmlerin tasarlanması
BİLLUR DENİZ KARAHAN
Doktora
İngilizce
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Betonarme kolonların deprem performansının tekstil donatılı / donatısız cam lifli püskürtme harçla iyileştirilmesi
Improvement of seismic performance of reinforced concrete columns using glass fiber reinforced sprayed mortar with / without textile reinforcement
ALİ OSMAN ATEŞ
Doktora
Türkçe
2022
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER İLKİ
- Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi
Development of nanocomposite material for artificial muscle applications
AYŞE KÜBRA AYDINALEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN