Numerical and experimental investigation of mechanical properties of parts manufactured via carbon fiber reinforced material extrusion
Karbon fiber ile güçlendirilmiş malzeme ekstrüzyon yöntemi ile üretilmiş parçaların mekanik özelliklerinin numerik ve deneysel olarak incelenmesi
- Tez No: 899346
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ULAŞ YAMAN, PROF. DR. MEHMET ALİ SAHİR ARIKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Katmanlı malzeme tanımlanması, Kompozit malzemeler, Ortotropik malzemeler, Plastik kompozitler, Layered material characterization, Composite materials, Orthotropic materials, Plastic composites
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mühendislik ve Doğa Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
İmalat teknolojisindeki gelişmelerle birlikte, günümüzde eklemeli imalat ile karmaşık geometrilere sahip ve hafif parçalar üretmek mümkündür. Bu teknoloji, parça ağırlığının hayati önem taşıdığı havacılık, savunma ve otomotiv gibi birçok endüstriyel alanda kritik ilerlemeler sağlamaktadır. Markforged isimli bir endüstriyel şirket tarafından malzeme ekstrüzyon prosesinde fiber takviyeli kompozitlerin tasarlanmasını mümkün kılan yeni bir malzeme ekstrüzyon prosesi olan sürekli fiber imalatı (SFİ) geliştirilmiştir. SFİ süreci iki tür güçlendirme içerir: izotropik ve eşmerkezli takviye. İzotropik takviyede, parçaların iç kısmı sürekli fiberlerle güçlendirilirken; eşmerkezli takviye ile parçaların dış kabuklarının veya gerilmelerin yüksek olduğu delik etrafı bölgelerin lokal olarak güçlendirilmesine olanak tanınır. Bu tez kapsamında eşmerkezli güçlendirme yöntemi incelenmiştir. SFİ ile ilgili zorlu problemlerden biri de parçaların mekanik performansının ölçülmesidir. Her ne kadar mekanik performansı değerlendirmenin genellikle tercih edilen yolu test olsa da, parçaların test edilmesi her zaman mümkün veya uygulanabilir değildir. Bu nedenle sonlu elemanlar analizi (SEA), parçaların mekanik cevaplarını ölçmenin alternatif bir yolu olarak düşünülmelidir. Ancak sayısal analizin doğruluğu ve geçerliliği konusunda titiz davranılmalıdır. Literatürde SFİ parçalarının mekanik performansının sonlu elemanlar analizleri ile değerlendirilmesi konusunda çok sayıda çalışma bulunmasına rağmen araştırmalar arasında birçok farklılık bulunmaktadır.Bu nedenle bu tezde, SFİ ile üretilen parçalar için sonlu elemanlar modelleme stratejisi geliştirilmiş ve modelleme tekniği testlerle doğrulanmıştır. İlk olarak malzeme karakterizasyon testleri ile seçilen malzemeler için gerekli malzeme özellikleri elde edilmiştir. Çekme, eğme ve eksantrik yükleme gibi 3 farklı yükleme koşullarına numuneler tasarlanıp tasarlanıp üretilmiştir. Ardından belirli yük durumları oluşturularak testler gerçekleştirilmiştir. Nihayetinde, testlere tekabül eden sayısal modeller hazırlanıp, sayısal modelleme yaklaşımını doğrulamak için SEA simülasyonları koşulmuştur. Bu tezde kullanılan doğrulama kriteri, parçaların elastik davrandığı bölgedeki deformasyonlara karşılık gelen kuvvetlerin kıyasına dayanmaktadır. Sonlu elemanlar analizleri doğrusal ve elastik malzeme özellikleriyle yapıldığından, daha düşük deplasman değerleri için sayısal model ve testlerin sonuçları birbiriyle iyi uyum göstermektedir. Parçaların mekanik tepkisinin plastik olduğu, yani daha yüksek deformasyonlara sahip bölgelerde sayısal analiz ve test sonuçları arasında farklılıklar bulunmaktadır. Gelecekte daha iyi matematiksel modelleme tekniklerinin geliştirilmesi amacıyla tezde hataların kaynakları tartışılmıştır.
Özet (Çeviri)
With the improvements in manufacturing technology, it is possible to produce light parts with complex geometries with additive manufacturing today. This brings critical advances in many industrial fields, such as aerospace, defense, and automotive, where the weight of the parts is crucial. A new material extrusion process, continuous fiber fabrication (CFF), has been developed by an industrial company, namely Markforged, which enables the design of composites with fiber reinforcement in the material extrusion process. CFF process includes two types of reinforcements: isotropic and concentric. In isotropic reinforcement, the parts' interior is reinforced continuously with fibers, while concentric reinforcement allows the strengthening of the design locally, such as reinforcement of outer shells or regions around the holes where high stresses are usually encountered. The latter one, concentric reinforcement, is investigated in the scope of this thesis. One of the challenging problems regarding CFF is the mechanical performance measurement of the parts under certain loading cases. Although testing is usually the preferred way of evaluating mechanical performance, it is not always possible or feasible. Hence, finite element analysis (FEA) should be considered as an alternative way of measuring the mechanical responses of the parts. However, one should be meticulous about the accuracy and validity of numerical analysis. Even though there are many studies in the literature about the evaluation of the mechanical performance of CFF parts with FEA, there are many discrepancies between research. Hence, in this thesis, a finite element modeling strategy for parts manufactured with CFF is developed, and the modeling technique is verified with tests. First, required material characterizations are performed in order to obtain material properties for selected materials. Then, three specimens having different loading conditions, tensile, bending, and eccentric loads, are designed and manufactured. Later, specific load cases are created, and tests are performed. Finally, corresponding numerical models for tests are prepared, and FEA simulations are run to validate the numerical modeling approach. The validation criterion is based on the force and displacement of the parts for their elastic behavior. The results of the numerical models and tests are in good agreement with each other for lower displacement values since FE analyses are done with linear and elastic material properties. For higher displacements, where the mechanical response of the parts is plastic, there are discrepancies between numerical analysis and test results. The sources of errors are discussed in the thesis in order to develop better mathematical modeling techniques in the future.
Benzer Tezler
- Güneş enerjili kendinden pompalı sıcak su sisteminin analiz ve simülasyonu
Analysis and simulation of a two phase self pumping solar water heater
TUNCAY GÜVEN
- Av ve spor tüfekleri için kritik parçaların hasar analizi
Failure analysis of critical parts for hunting and sport guns
HATİCE VAROL
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Makine MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA REŞİT USAL
- Nonlinear and linear modeling of weatherstrip seal and investigation of its effect in vehicle vibrations
Kapı fitilinin lineer ve lineer olmayan modellemesi ve araç titreşimine etkisinin incelenmesi
EMRE DİKMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. İPEK BAŞDOĞAN
- An experimental and a numerical investigation of a high pressure die casting aluminium alloy
Yüksek basınçlı alüminyum alaşımı dökümünün deneysel ve nümerik bir incelemesi
ÖZLEM BOYDAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT SAVAŞ
- Korige boruların tasarımı
Design of the corrugated pipes
ADEM GÜNEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZİYA ABDULALIYEV
DOÇ. DR. ŞENOL ATAOĞLU
- Numerical and experimental investigation of incremental sheet forming
Artımlı sac şekillendirme işleminin sayısal benzetim ve deneysel olarak incelenmesi
MUHAMMED EMİN TAMER
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mühendislik BilimleriAtılım Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BESİM BARANOĞLU
YRD. DOÇ. DR. İZZET ÖZDEMİR