Investigation of failure mechanisms in single-material and interply hybrid composite laminates
Tek-malzemeli ve katmanlar-arası hibrit kompozit laminatların hasar mekanizmalarının incelenmesi
- Tez No: 961621
- Danışmanlar: PROF. DR. DEMİRKAN ÇÖKER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Hibrit kompozit, Hybrid composite
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Katmanlar arası hibrit kompozit laminatlar, tek malzemeli laminatlara kıyasla geliştirilmiş özellikler sağlamak amacıyla farklı elyaf türleriyle takviye edilmiş tabakalardan oluşur. Bu tür laminatlar, helikopter kuyruk rotor palinin esnek kirişleri (flexbeam) ve rüzgar türbini kanatları gibi yüksek performanslı uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Ancak operasyonel yükler altında oluşan yüksek katmanlar arası gerilmeler, delaminasyona yol açabilmektedir. Bu çalışma, hibrit laminatların katmanlar arası özelliklerini ve hasar davranışlarını, karbon ve cam laminatlarla karşılaştırmalı olarak incelemektedir. Deneysel program kapsamında; Mod I ve Mod II kırılma tokluğu için çift dirsekli kiriş (DCB) ve çentik uçlu eğme (ENF) deneyleri, katmanlar arası kayma dayanımı (ILSS) için kısa kiriş eğme (SBS) deneyleri ve katmanlar arası çekme dayanımı (ILTS) için eğri kiriş dayanım (CBS) deneyleri yapılmıştır. CBS deneylerinde gözlenen hasar mekanizmalarını daha iyi anlamak amacıyla kesme yüklemeli eğri kiriş deneyleri de gerçekleştirilmiştir. DCB ve ENF sonuçları, hibrit laminatların Mod I ve Mod II kırılma tokluğu değerlerinin karbon ve cam laminatlar arasında olduğunu göstermiştir. Kırılma yüzeyi incelemeleri, çatlakların çoğunlukla tabaka ara yüzeyleri boyunca ilerlediğini, ancak zaman zaman komşu tabakalara da saptığını göstermiştir. SBS ve CBS deneyleri, hibrit laminatların ILSS değerlerinin karbon laminatlara, ILTS değerlerinin ise cam laminatlara yakın olduğunu göstermiştir. Hasarın oluşum sırası ve mekanizmaları incelenmiş, literatürde bildirilenlerden farklılıklar gözlenmiştir. Bulgular, tek yönlü (UD) laminatlarda tabakalar arası ayrılma olarak tanımlanan geleneksel delaminasyon kavramını sorgulamaktadır. Özellikle dört nokta eğilme altındaki eğri kirişlerde, farklı tabakalarda katmanlar arası hasara ek olarak belirgin katman içi hasar görülmüştür. Bu nedenle, maksimum radyal gerilme konumuna dayalı ILTS değeri, gerçek ara yüzey dayanımını tam olarak yansıtmayabilir. Ayrıca, yalnızca yapışkan arayüz modelleme (CZM) ile yapılan sonlu eleman analizleri, deneylerde gözlenen hasar sürecini tam olarak yansıtamamaktadır. Bu çalışma, incelenen ileri havacılık sınıfı UD kompozitlerdeki hasar mekanizmalarının geleneksel delaminasyon kavramına uymadığını ortaya koymaktadır. Çatlak ilerlemesinin tabaka ara yüzeylerinde tutarlı olmaması, standart testlerle elde edilen ara yüzey dayanım değerlerinin kullanımının yeniden değerlendirilmesi gerektiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Interply hybrid composite laminates consist of plies reinforced with different fiber types to achieve enhanced properties compared to single-material laminates. Such laminates are used in high-performance applications, including helicopter tail rotor blade flexbeams and wind turbine blades, where high interlaminar stresses under operational loads make them susceptible to delamination. This study investigates the interlaminar properties and failure behaviors of hybrid laminates in comparison with carbon and glass laminates. An experimental program was conducted, including double cantilever beam (DCB) and end-notched flexure (ENF) experiments for Mode-I and Mode-II fracture toughness, short-beam shear (SBS) and curved beam strength (CBS) experiments for interlaminar shear strength (ILSS) and interlaminar tensile strength (ILTS). Shear-loaded curved beam experiments were also performed to further elucidate the failure mechanisms in the CBS experiments. DCB and ENF results indicated that the Mode-I and Mode-II fracture toughness of the hybrid laminates fell between those of carbon and glass laminates. Post-mortem fracture surface examinations revealed cracks propagating predominantly along ply interfaces, with occasional deflections into adjacent plies. SBS and CBS experiments revealed that hybrid laminates exhibited ILSS comparable to carbon laminates, whereas ILTS was comparable to glass laminates. The sequence and mechanisms of failure were examined, revealing differences from the literature. Our observations challenge the conventional definition of delamination as interface separation between layers in unidirectional (UD) laminates. Particularly, in curved laminates under four-point bending, substantial intralaminar failure accompanied interlaminar failure at various layers. Consequently, ILTS calculated based on maximum radial stress location may not accurately represent ply interface strength. Furthermore, finite element analysis of curved beam laminates with only cohesive zone modeling is not sufficient to capture the experimentally observed failure process. A key contribution of this work is demonstrating that the failure mechanisms in advanced aerospace-grade UD composites studied in this program do not conform to the traditional concept of delamination. The absence of a consistent crack-propagation preference along ply interfaces underscores the need to reassess the use of interface strength values obtained from standard tests in UD laminates.
Benzer Tezler
- Investigation of the impact behavior of sandwich composites
Sandviç kompozitlerin darbe davranışının incelenmesi
DALYA FADIL
Doktora
İngilizce
2026
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ERKLİĞ
- Constitutive and numerical modeling of hydro-mechanically coupled behavior of unsaturated soils
Doygun olmayan zeminlerin hidro-mekanik bağlaşık davranışının bünyesel ve sayısal modellenmesi
MUSTAFA MERT EYÜPGİLLER
Doktora
İngilizce
2025
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET BARIŞ CAN ÜLKER
- Lityum iyon pil üretim tesislerinde yangın algılama ikaz ve yangın söndürme sistemlerinin incelenmesi
Investigation of fire detection, alarm and fire suppression systems in lithium-ion battery production facilities
KAYHAN KARAİSMAİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Mühendislik BilimleriSakarya ÜniversitesiYangın ve Yangın Güvenliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN SERHAD SOYHAN
- Investigation of delamination suppression in highly tapered composite laminates
Yüksek konik kompozit yapılarda katman ayrılması engellenmesinin incelenmesi
FIRAT ERGİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALTAN KAYRAN
- Rulmanlarda sürünme riskinin deneysel olarak incelenmesi ve rulman tasarım parametrelerinin sürünme üzerine etkisinin analizi
Experimental investigation of creep risk on bearings and analysis of bearing design parameters for creep
AHMET HAKAN BOZKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN