Geri Dön

A multiscale approach to understand the effects of design parameters on the elastic behavior of 3D orthogonally woven composites

3B ortogonal dokuma kompozit yapıların geometrik parametrelerinin yapının elastik davranışına etkisinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 907845
  2. Yazar: HİLAL ERKOÇ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HÜLYA CEBECİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: 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: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 89

Özet

Bu çalışma, kalınlık etkisinin üç boyutlu (3B) ortogonal olarak dokunmuş kompozitlerin elastik sabitleri üzerindeki etkisini araştırmayı amaçlamaktadır. Havacılıkta yaygın olarak kullanılan iki boyutlu lamine kompozitler yüksek düzlem içi sertliğe ve mukavemete sahiptir; ancak, motor fan kanatları, uçak gövde yapıları, rüzgar türbini kanatları gibi düzlem dışı yüklemeye maruz kalan yapılarda yetersizdirler. Bu yapılarda yeni bir yaklaşım olan 3B ortogonal olarak dokunmuş kompozitlerin kullanımı faydalı olabilir. Kompozit yapılarda kalınlık yönüne bağlayıcılar eklenerek oluşturulan 3B dokuma adı verilen inovatif teknik; ileri teknoloji uygulamalar için geliştirilmiş darbe hasarı toleransı, daha yüksek delaminasyon direnci ve tek parça kumaş üretimi sayesinde montaj ve üretim maliyetlerinin azaltılması gibi olanaklar sağlar. 3B ortogonal dokuma kompozit yapıların avantajlarının yanısıra dezavantajları ve uygulamada zorlukları da bulunmaktadır. Bunlardan en önemlisi üretim süreçlerinin nitelikli iş gücü ve özelleştirilmiş üretim araçları gerektirmesi sebebiyle daha yüksek maliyetli olmasıdır. Karmaşık iç mimarileri nedeniyle tasarım, analiz ve simülasyon faaliyetleri gelişmiş hesaplama araçları gerektirir. Ayrıca kompleks mimarileri sebebiyle bakım ve onarım faaliyetlerini gerçekleştirmek 2B yapılara kıyasla daha zordur. 3B dokuma kompozitlerin karmaşık dokuma mimarisi, önemli düzeyde heterojenliğe neden olarak malzeme özelliklerinin karakterize edilmesi ve farklı yüklenme koşulları altında davranışlarının doğru olarak tahmin edilmesini zorlaştırmaktadır. Çok ölçekli modelleme yaklaşımları, 3B fiber takviyeli kompozitleri üç farklı hiyerarşik ölçeğe ayırır: küçük ölçek, orta ölçek, ve büyük ölçek. Küçük ölçek, iplik ve matris gibi temel yapı bileşenlerinin özelliklerine odaklanır. Orta ölçek, temsili hacim elemanı (THE) içindeki ipliklerin matrisle etkileşimine odaklanır. Orta ölçekte, emprenye edilmiş iplik ve matris için elastik sabitlere sahip olmak önemliyken, büyük ölçekte dokuz mühendislik sabiti ile karakterize edilen homojenleştirilmiş özellikler kullanılır. Çok ölçekli modelleme bu ölçekleri birbirine bağlar; büyük ölçek özellikleri orta ölçeğe, orta ölçek özellikleri ise küçük ölçek özelliklerine bağlıdır. Homojenizasyon olarak adlandırılan bu süreç, tüm 3B ortogonal dokuma kompozitlerin eşdeğer malzeme özelliklerini tahmin etmeyi amaçlar. Yüksek hesaplama maliyeti ve büyük ölçekli problemlere uygulamadaki sınırlamalar nedeniyle, 3B fiber takviyeli kompozitleri küçük ve orta ölçek modellerle analiz etmek pratik değildir. 3B ortogonal dokumanın karmaşıklığı nedeniyle de büyük havacılık yapıları için büyük ölçek analiz tercih edilir. Bu çalışmada 3B ortogonal dokuma kompozitlerin elastik sabitlerini araştırmak için orta-büyük ölçek homojenizasyon teknikleri kullanılmıştır. Küçük ölçek modellemede, emprenye edilmiş ipliklerin malzeme özellikleri elde edildi. Atkı, çözgü ve bağlayıcı elemanlardan oluşan iplikler, transversal izotropik malzemeler olarak modellendi. Matris izotropik bir malzeme olarak kabul edildi. Emprenye edilmiş ipliğin malzeme özellikleri, fiber hacim oranı ile matris ve fiber özelliklerinin kullanılmasıyla hesaplanmıştır. Bu çalışmada takviye olarak 87 GPa elastisite modülü, 34 GPa kayma modülü ve 0.35 Poisson oranına sahip E-Cam, matris malzemesi olarak ise 3.6 GPa elastisite modülü, 1.31 GPa kayma modülü ve 0.31 Poisson oranına sahip epoksi kullanılmıştır. Tüm atkı, çözgü ve bağlayıcı bileşenleri için fiber hacim oranı 0.7 olarak kabul edildi. Emprenye edilmiş ipliklerin elastik özellikleri, transversal izotropik malzemelerin elastik özelliklerini tahmin etmek için kullanılan bir yöntem olan Chamis modeli ile hesaplandı. Orta ölçekte, mevcut yapı mimarisine yakın olacak ¸sekilde tasarlanan 3B fiber takviyeli kompozit geometrisinin temsili hacim elemanları, büyük ölçek için homojenleştirilmiş elastik özellikleri belirlemek üzere kullanıldı. THE, büyük ölçekte tekrar eden ve tüm 3B fiber takviyeli kompoziti karakterize eden bileşeni tanımlar. Ortogonal olarak dokunmuş bir yapı içindeki THE'nin kapsamlı bir şekilde incelenmesi için bir geometrik model gereklidir. THE'nin boyutları, atkı, çözgü ve bağlayıcı bileşenlerinin çeşitli geometrik parametrelerinden doğrudan etkilenir. İplik-matris etkileşimleri ve geometrik yapı, kompozit yapının yük altında davranışını, hasar modlarını ve nihayetinde mukavemetini önemli ölçüde etkiler. 3B ortogonal dokuma mimarileri, üç farklı yönde düzenlenmiş çözgü, atkı ve bağlayıcı ipliklerine sahiptir. Modellemede çözgü ve atkı ipliklerinin kıvrımı ihmal edildi. İdealize edilmiş dikdörtgen kesitlere sahip farklı kalınlıklardaki geometriler NX tasarım programı kullanılarak oluşturuldu. İlk model 1/3 ba˘glayıcı-çözgü oranına sahip 3 çözgü, 4 atkı katmanından oluşan bağlayıcının kalınlık boyunca 3 çözgü katmanı geçtiği THE1:3, ikinci model 1/4 ba˘glayıcı-çözgü oranına sahip 4 çözgü, 5 atkı katmanından oluşan bağlayıcının kalınlık boyunca 4 çözgü katmanı geçtiği THE1:4 ve üçüncü model 1/5 bağlayıcı-çözgü oranına sahip 5 çözgü, 6 atkı katmanından oluşan bağlayıcının kalınlık boyunca 5 çözgü katmanı geçtiği THE1:5 olarak adlandırıldı. Orta-büyük ölçek homojenizasyon adımında, homojenleştirilmiş elastik özellikleri tahmin etmek için analitik ve sayısal yöntemler kullanıldı. Bu çalışmada kullanılan analitik modelleme, hacim ortalama yöntemine dayanmaktadır. Hacim ortalama yöntemi 3B kompozit yapının mühendislik elastisite sabitlerini belirlemek için temsili hacim elemanı içindeki her bir bileşenin mühendislik elastisite sabitlerini ve hacim oranlarını kullanır. ˙İpliklerin hacim oranları geometrik parametreler kullanılarak hesaplandı. Küçük-orta ölçek homojenizasyon aşamasında elde edilen emprenye ipliklerin elastik sabitleri bu adımda kullanıldı. Ancak bu değerler ipliklerin lokal koordinat sisteminde hesaplandı. Bu nedenle, her bir ipliğin lokal sertlik matrisi, THE'nin sertlik matrisini elde etmek için global eksene dönüştürüldü. Bileşenlerin global eksene göre dönüştürülmüş sertlik matrisi ve her bir iplik için hacim oranları belirlendikten sonra, THE'nin sertlik matrisi hacim ortalama yöntemi kullanılarak MATLAB programında hesaplandı. Numerik modellemede, analize başlamak için öncelikle NX programında üç farklı bağlayıcı çözgü-oranına sahip farklı kalınlıklardaki temsili hacim elemanlarının katı modelleri oluşturuldu. Sonlu elemanlar analizi yapmak için modeller ABAQUS programına aktarıldı. İpliklerin arasındaki etkileşimler tanımlanarak bütünsel hareket etmeleri sağlandı. Sınır koşulları yapının aynı eksenel yönde eksene dik bir kenarından sabitlenirken diğer kenardan o eksen boyunca yapının uzunluğu kadar yer değiştirme oluşturacak şekilde tanımlandı. Yapının bileşen geometrilerine uygun mesh boyutu seçilerek yapılar analize hazır hale getirildi. ABAQUS programından kuvvet-yer değiştirme grafiği elde edilerek ilgili formülasyonlarla gerilme-gerinim eğrileri elde edildi. Elde edilen gerilme-gerinim değerlerinden yapının elastik katsayıları hesaplandı. Sonuçlar incelendiğinde, kalınlığın artmasının çözgü ve atkı yönlerindeki elastisite modülünü artırdığı gözlemlenmiştir. Ex değerlerine baktığımızda çözgü yönünde (x ekseni) yapının elastik modülünü temsil eden bu değer THE1:5'te en yüksekken THE1:3'te en düşüktür. Ey değerlerine baktığımızda atkı yönünde (y ekseni) yapının elastik modülünü temsil eden bu değer THE1:5'te en yüksekken THE1:3'te en düşüktür. Bu durum, x yönünde kuvvet taşıyan çözgü bileşenlerinin ve y yönünde kuvvet taşıyan atkı bileşenlerinin hacim oranlarındaki artışla açıklanabilir. Kalınlık yönü (z yönü) için ise kalınlık artışının elastik modül üzerindeki etkisi x ve y eksenlerinin benzer yönde bir etki göstermiştir. Kalınlık yönündeki elastisite modülünün kalınlık arttıkça arttığı gözlemlenmiştir. Ez değerlerine baktığımızda kalınlık yönünde (z ekseni) yapının elastik modülünü temsil eden bu değer THE1:3'te en düşükken THE1:5'te en yüksektir. Bu durum, kalınlık düşüşü ile birlikte bağlayıcı hacim oranının azalmasıyla z yönünde yük taşıyan ipliklerin oranının azalması ile ilişkilendirilebilir. Elastik modüllerin yapının ağırlığına oranlanması ile özgül elastik modüller elde edilmiştir. Özgül elastik modüllerin her üç yönde de kalınlık artışıyla birlikte azaldığı gözlemlenmiştir. Yapılan analizler sonucu analitik ve numerik modellerin sonuçlarının yakın değerler olduğu görülmektedir. Bu durum yapılan modelleme ve analiz yöntemlerinin iyi bir yaklaşım olduğunu gösterir. Geliştirilen analitik ve numerik modeller ile THE'nin geometrik parametrelerinin optimizasyonunun yapılabilmesi üç boyutlu ortogonal dokuma kompozitleri özellikle havacılık alanında geniş bir uygulama yelpazesinde etkili bir ¸şekilde uygulanabilir kılmaktadır.

Özet (Çeviri)

This study aims to investigate the effect of various parameters on the elastic constants of three-dimensional (3D) orthogonally woven composites. Two-dimensional (2D) laminated composites exhibit high in-plane stiffness and strength; however, they are inadequate in applications subjected to out-of-plane loads, particularly in engine fan blades, aircraft fuselage structures, and wind turbine blades. With an innovative approach, 3D orthogonally woven composites effectively overcome the limitations of traditional 2D laminates. The usage of 3D orthogonally woven composites in these structures can be beneficial because 3D orthogonally woven composites are more resistant to out-of-plane loading than 2D laminates, due to their improved mechanical properties through the thickness. In addition to this, improved impact damage tolerance, higher delamination resistance, and reduced assembly and production costs through single-piece fabric production are advantages of 3D orthogonally woven composites. 3D orthogonally woven composites, in spite of their advantages, present certain challenges in application. One of the significant challenges is the complex nature of their manufacturing process, which demands specialized equipment and skilled personnel, leading to high production costs. Their complex structure can also complicate design, analysis, and simulation, requiring advanced computational models. Additionally, the complex architecture of these composites can present challenges in repair and maintenance procedures. 3D orthogonally woven structures consist of three interwoven sets of yarns arranged in orthogonal directions, where the warp and weft yarns remain straight while the binder yarns interlace them to create a multidimensional architecture. This complex architecture of 3D orthogonally woven composites plays an important role in determining the mechanical properties of the structure. Since differences in cross-section configurations, yarn arrangements, and fiber interactions significantly influence the load-carrying capacity, stiffness, and overall performance of the composite, an in-depth examination of the structural architecture is critical to optimizing the mechanical properties of the material. Several analytical studies have examined the effects of binder-to-weft and binder-to-warp ratios on the elastic properties of 3D orthogonally woven composites. These analyses employ representative volume elements (RVEs) to model the material behaviors. The binder-to-weft ratio characterizes the number of wefts of yarn a binder yarn encircles before reversing direction within the weft layer. Similarly, the binder-to-warp ratio represents the proportion of warp yarns per layer relative to the total number of warps encompassed by the RVE. However, a key limitation of these existing studies is based on the absence of a comparative analysis between analytical solutions and numerical simulations. Furthermore, the impact of RVE thickness on its elastic coefficients has not been thoroughly investigated. Here, the effects of changing thickness on the tensile response of the structure, as obtained through analytical solutions and numerical simulations, are presented. Elastic constants of 3D fiber-reinforced composites were estimated using a multi-scale homogenization technique based on meso-macro homogenization with good correlation. Numerical simulations were performed using ABAQUS software to analyze the behavior of the models. Through the optimization of the geometrical parameters of RVE, 3D orthogonally woven composites can be effectively implemented across a diverse range of engineering applications, especially in the aviation field.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    508140

    Artificial microstructures to investigate microstructure-property relationships in metallic glasses

    Başlık çevirisi yok

    BARAN SARAÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    BiyomühendislikYale University

    Prof. JAN SCHROERS

  2. Tez No

    609575

    Nanomekanikte yerel olmayan elastisite teorisi ve çok-ölçekli modellemeye uygulanması

    Nonlocal theory of elasticity in nanomechanics and application to multiscale models

    MERAL TUNA EROĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MESUT KIRCA

  3. Tez No

    459375

    Modeling the solvent effect, kinetics,morphology and catalysis in polymerization reactions

    Polimerizasyon tepkimelerinde çözücü etkisi, kinetik, morfoloji ve katalizin modellenmesi

    TUĞBA ÖZALTIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    KimyaBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VİKTORYA AVİYENTE

  4. Tez No

    863511

    An improved multi-component metric for spatial pattern calibration of hydrologic models

    Hidrolojik modellerin örüntüye dayalı kalibrasyonu için çok bileşenli metrik geliştirilmesi

    EYMEN BERKAY YORULMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET CÜNEYD DEMİREL

  5. Tez No

    781609

    Dynamic fusion networks for predicting saliency in videos

    Videolarda belirginlik tahmini için dinamik tümleştirme ağları

    AYSUN KOÇAK ÖZCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHacettepe Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ERKUT ERDEM

    DOÇ. DR. İBRAHİM AYKUT ERDEM

Geri Dön