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: Belirtilmemiş.
- 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: 328
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
- Kompozit plakların balistiğinde bazı basitleştirilmiş yaklaşımların sayısal irdelenmesi
Numerical investigation of some simplified approaches in composite plate ballistics
UĞUR DOĞAN
Doktora
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- Termal bariyer kaplamaların izotermal oksidasyon davranışlarının incelenmesi
Investigation of isothermal oxidation behavior of thermal barrier coatings
ABDULLAH SELİM PARLAKYİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TURGUT GÜLMEZ
- Betonun Mod I durumundaki göçmesine agrega konsantrasyonunun etkisi
Başlık çevirisi yok
A. FERHAT SARISU
- Kesici takımlar üzerine yapılan tin sert seramik film kaplamanın kesici takım ömrüne etkisi
Başlık çevirisi yok
DOĞAN ALPDORUK