Investigating the influence of material and geometrical factors on bonded joint strength: A parametric CZM analysis of single lap joints
Malzeme ve geometrik faktörlerin yapıştırmalı bağlantıların dayanımına etkisinin incelenmesi: Tek bindirmeli bağlantılarda parametrik CZM analizi
- Tez No: 979399
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEHER EKEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yapıştırma teknolojileri son yıllarda hem endüstriyel uygulamalarda hem de akademik çalışmalarda hızla gelişim göstermiş ve geleneksel bağlantı yöntemlerine güçlü bir alternatif haline gelmiştir. Özellikle havacılık sektöründe kullanılan metal ve kompozit yapısal elemanların birleştirilmesinde, perçinleme, cıvatalama ve kaynak gibi yöntemlerin yerini giderek daha fazla yapıştırıcı temelli yöntemler almaktadır. Bunun temel nedeni, yapıştırmalı bağlantıların sunduğu çok yönlü avantajlardır. Mekanik bağlantı elemanlarının ortadan kaldırılmasıyla yapılar daha hafif hale gelmekte, aerodinamik yüzey sürekliliği bozulmadan korunmakta, gerilme yığılmaları önlenerek yorulma ömrü artmakta ve ek olarak korozyon direnci, titreşim sönümleme ve elektriksel yalıtım gibi faydalar elde edilmektedir. Bu avantajlar yapıştırıcıların kullanımını cazip kılmakta, ancak sertifikasyon süreçleri ve güvenilirlik konusundaki zorluklar nedeniyle özellikle birincil uçak yapılarında kullanımlarını sınırlamaktadır. Bununla birlikte, yapıştırıcıların kritik yük taşıyan birincil yapılarda kullanılabilmesi için sertifikasyon süreçlerinde yüksek düzeyde güvenilirlik sağlanması gerekmektedir. Deneysel kırılma ve yorulma testleri bu doğrulamanın önemli bir parçasıdır. Ancak her yeni yapıştırıcı türü, kalınlık veya bindirme uzunluğu için özel numuneler üretmek, bunları uzun süren testlere tabi tutmak ve elde edilen sonuçları analiz etmek büyük maliyetlere ve ciddi zaman kayıplarına yol açmaktadır. Ayrıca deneysel yöntemler parametrik çeşitliliği kapsamakta yetersiz kalabilmektedir. Bu nedenle son yıllarda yapıştırıcı bağlantıların davranışlarını öngörmek için yüksek doğruluklu ve tekrar edilebilir sonuçlar üretebilen sayısal simülasyon yöntemlerine yönelim artmıştır. CZM, yapıştırıcı bağlantıların kırılma davranışlarını, malzeme ayrışması ve çatlak ilerlemesini traction–separation yasaları çerçevesinde modelleyerek temsil etmektedir. Yapıştırma yüzeyine yerleştirilen cohesive elemanlar, elastik bölgede rijit bir tepki vermekte, kritik gerilme seviyesine ulaşıldığında hasar başlamaktadır. Hasarın ilerlemesiyle birlikte rijitlik kademeli olarak azalarak yumuşama davranışı ortaya çıkmakta ve belirli bir kırılma enerjisi tüketildikten sonra tam ayrılma gerçekleşmektedir. Böylelikle, Mod I (çekme açılma) ve Mod II (kayma) davranışları gerçeğe yakın şekilde yakalanabilmekte, ayrıca karma yükleme durumları için de karışık mod kırılmaları doğru biçimde simüle edilebilmektedir. Bu yöntem, lineer elastik kırılma mekaniğinin uç noktalardaki sonsuz gerilme sorunlarını aşarak yapıştırıcı tabakasının gerçekçi mekanik yanıtını temsil edebilmektedir. Özellikle triangular, bilinear ve trapezoidal gibi farklı traction–separation şekilleri literatürde farklı yapıştırıcı türleri için önerilmiştir. Bu tez kapsamında kalınlığa bağlı parametreler tanımlanarak cohesive özelliklerin geometrik değişkenlere göre gerçekçi biçimde güncellenmesi sağlanmıştır. Böylece yapıştırıcı kalınlığı değiştikçe rijitlik, dayanım ve kırılma enerjisi de fonksiyonel olarak yeniden hesaplanmış, ince tabakaların gevrek davranışı ile kalın tabakalarda görülen plastik enerji tüketimi aynı model içinde temsil edilmiştir. Bu yüksek lisans tezinde, yapıştırıcı kalınlığı, bindirme uzunluğu ve yapıştırıcı malzemesi parametrelerinin birlikte incelendiği kapsamlı bir sayısal analiz gerçekleştirilmiştir. Çalışmada AV138/HV998, Hysol EA 9361, Sikaforce 7888 ve Araldite 2015 olmak üzere dört farklı yapıştırıcı ele alınmıştır. Bu yapıştırıcılar literatürde sıkça kullanılan ve gevrekten süneğe geniş bir mekanik yelpazeyi temsil eden ticari sistemlerdir. Her biri için çekme ve kayma mukavemeti değerleri, kırılma toklukları ve rijitlik parametreleri literatürden toplanmış; cohesive zone model parametreleri kalınlığa bağlı fonksiyonlar halinde tanımlanmıştır Sayısal çalışmalar Abaqus sonlu elemanlar yazılımında yürütülmüş, Python tabanlı bir otomasyon kodu ile desteklenmiştir. Kod altyapısı geometri oluşturma, ağ yapısı tanımlama, cohesive özelliklerin atanması, yükleme ve sınır koşullarının uygulanması, job tanımlama ve çalıştırma, sonuçların toplanması gibi tüm adımları otomatik olarak yürütmüştür. Böylece çok sayıda farklı kalınlık, bindirme uzunluğu ve malzeme kombinasyonu hızlı ve güvenilir biçimde simüle edilmiştir. Analizlerden elde edilen temel çıktı değişkenleri yük–yer değiştirme eğrileri, nihai yük kapasitesi, yapıştırıcı tabakasında harcanan enerji (ALLSE) ve hasar değişkeni (SDEG) olmuştur. Parametrik analizlerin sonucunda tasarım haritaları elde edilmiştir. Bu haritalar, farklı yapıştırıcılar için optimum kalınlık ve bindirme uzunluğu aralıklarını göstermektedir. Örneğin, Hysol EA 9361 yapıştırıcısında 0,20–0,30 mm kalınlık ve 20–25 mm bindirme uzunluğu optimum performans sağlamış, Araldite 2015 ise daha ince tabakalarda yüksek yük taşıma kapasitesi göstermiştir. Bu sonuçlar literatürle uyumlu bulunmuş ve sünek–gevrek ayrımının tasarım kararlarında kritik rol oynadığı bir kez daha ortaya konmuştur. Çalışmanın ikinci aşamasında, yalnızca parametrik analiz ile sınırlı kalınmamış, aynı zamanda çok amaçlı optimizasyon da gerçekleştirilmiştir. ModeFRONTIER yazılımı kullanılarak kurulan optimizasyon modelinde karar değişkenleri yapıştırıcı kalınlığı, bindirme uzunluğu ve yapıştırıcı türü olarak belirlenmiştir. Amaç fonksiyonları ise hem nihai yük kapasitesinin hem de enerji sönümleme kapasitesinin artırılmasıdır. Optimizasyonun fiziksel anlamlılığını korumak üzere, yapıştırıcı tabakada tam hasar evriminin gerçekleşmesini şart koşan bir kısıt uygulanmış; SDEG'nin 1.0 değerine ulaşmadığı koşular elenerek yapıştırıcı dışı (adherend) hasar modları veya sayısal olarak yarım kalan koşular Pareto değerlendirmesine dahil edilmemiştir. Optimizasyonda MOGA-II algoritması tercih edilmiş, çünkü evrimsel yapısı sayesinde doğrusal olmayan ve yüksek oranda başarısızlık riski taşıyan CZM analizlerini yönetebilme kapasitesi bulunmaktadır. Optimizasyon sürecinde yaklaşık 997 farklı tasarım noktası üretilmiştir. Bunların 273 tanesi başarıyla tamamlanabilmiş, geri kalan kısmında ise özellikle gevrek yapıştırıcılarda ani rijitlik kaybı nedeniyle çözüm alınamamıştır. Başarıyla sonuçlanan analizlerden 98 tanesi tüm amaç ve kısıtları karşılamış ve Pareto-optimum kümesini oluşturmuştur. Bu çözümler incelendiğinde yapıştırıcı kalınlığının performansa doğrusal bir etkisi olmadığı, sünek yapıştırıcılarda kalınlık artışının enerji yutma kapasitesini artırırken nihai yükü azalttığı, gevrek yapıştırıcılarda ise tersine daha ince kalınlıkların yüksek yük kapasitesi sunduğu görülmüştür. Bindirme uzunluğu performansı en güçlü şekilde etkileyen geometrik parametrelerden biri olarak belirlenmiş, ancak belirli bir eşik değerinin ardından daha fazla artış sağlamamıştır. Yapıştırıcı seçiminin ise tüm senaryolarda en belirleyici faktör olduğu ortaya konmuştur. Pareto-optimum sonuçların değerlendirilmesi mühendislik açısından önemli ipuçları sunmaktadır. Yük taşıma kapasitesinin öncelikli olduğu senaryolarda gevrek yapıştırıcılar öne çıkmakta, enerji sönümleme ve hasar toleransının da önemsendiği durumlarda ise sünek yapıştırıcılar daha uygun çözümler vermektedir. Böylelikle farklı uygulama ihtiyaçlarına göre hangi yapıştırıcı ve hangi geometrik parametrelerin seçilmesi gerektiği sayısal olarak gösterilmiştir. Tezin yenilikçi katkısı, parametrik analiz ve çok amaçlı optimizasyonun bir arada yürütülerek hem doğrudan kullanılabilir tasarım haritaları hem de Pareto-optimum çözümler üzerinden performansa dayalı stratejiler sunmasıdır. Geliştirilen otomasyon altyapısı yalnızca dört yapıştırıcı ve tek bindirmeli bağlantılarla sınırlı olmayıp farklı malzemelere, örneğin kompozit esaslı yapılar, veya farklı bağlantı tiplerine de kolaylıkla uyarlanabilir. Kalınlığa bağlı fonksiyonların dahil edilmesi üretim toleranslarının etkilerini dikkate alabilmekte ve endüstriyel koşullara daha gerçekçi bir yaklaşım sunmaktadır. Ayrıca optimizasyon yapısına yeni amaçlar eklemek, örneğin ağırlık minimizasyonu veya yorulma ömrü maksimize edilmesi, mümkündür. Sonuç olarak, bu tez çalışması yapıştırmalı bağlantıların performansının yalnızca tek bir parametre üzerinden değerlendirilemeyeceğini, ancak malzeme türü, geometrik özellikler ve hasar ilerlemesinin birlikte incelenmesiyle gerçekçi ve kullanılabilir tasarım ilkelerinin elde edilebileceğini göstermektedir. Parametrik haritalar pratik mühendislik uygulamaları için hızlı bir referans sağlarken, çok amaçlı optimizasyon sonuçları tasarımcıların farklı performans kriterleri arasında bilinçli seçim yapmasına olanak vermektedir. Böylece deneysel deneme–yanılmaya olan bağımlılık azaltılmakta, maliyetler düşürülmekte ve havacılık gibi kritik sektörlerde yapıştırıcı kullanımının yaygınlaşmasına doğrudan katkı sunulmaktadır. Çalışma, CZM tabanlı sayısal tasarım ve optimizasyon süreçlerine hem akademik hem de endüstriyel açıdan önemli bir katkı niteliği taşımaktadır. Bu tez kapsamında elde edilen sonuçlar önemli bir çerçeve sunmakla birlikte, ileride yapılacak çalışmalar için çeşitli araştırma alanları da mevcuttur. Mevcut modelleme yalnızca yapıştırıcı tabakadaki hasara odaklanmıştır; gelecekte metalik ve kompozit aderendlerin matris çatlaması, tabaka ayrılması veya ilerleyici hasar mekanizmalarının da modele dahil edilmesiyle daha kapsamlı sonuçlar elde edilebilir. Tek bindirmeli bağlantılar dışında çift bindirmeli, scarf ya da kademeli bindirmeli tasarımların incelenmesi, gerilme dağılımını iyileştirerek daha verimli çözümler ortaya koyabilir. Ayrıca, bu çalışma statik yükler altında yürütülmüştür; gerçek servis koşullarını temsil eden yorulma ve darbe yüklemelerinin de analize dahil edilmesi, yapıştırmalı bağlantıların ömür performansını daha gerçekçi şekilde değerlendirmeye imkân tanıyacaktır. Son olarak, optimizasyonla seçilen tasarımların deneysel yöntemlerle doğrulanması, sayısal modelin güvenilirliğini pekiştirecek ve endüstriyel uygulamalara geçişte kritik rol oynayacaktır. Bu öneriler, mevcut bulguların daha da genişletilmesine ve yapıştırıcı bağlantıların mühendislikteki kullanımının güçlendirilmesine katkı sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Adhesive bonding has become a cornerstone technology in aerospace, automotive, defense, and energy sectors, enabling the integration of lightweight and high-strength assemblies that would be difficult or impossible to realize with traditional mechanical fastening techniques. Beyond weight savings, bonded joints eliminate the need for bolts or rivets that often create stress concentrations, thereby improving fatigue life, ensuring smoother aerodynamic surfaces, and enhancing corrosion resistance. These advantages, however, come with the critical challenge of guaranteeing reliable and predictable structural performance. In aerospace applications in particular, bonded joints must undergo rigorous certification before being deployed in airframe structures, and this requirement necessitates either extensive experimental campaigns or high-fidelity numerical models that can reduce reliance on physical testing. Traditional fracture and fatigue testing approaches are limited by cost, time, and scalability. Each new adhesive, thickness, or joint geometry typically requires dedicated specimen production, fixturing, and long-term test programs. This motivates the increasing reliance on numerical simulation methods that can replicate crack initiation, progressive damage, and failure. Among such approaches, cohesive zone model has emerged as one of the most robust and widely accepted frameworks, bridging the gap between continuum mechanics and fracture mechanics. By embedding cohesive elements along bond interfaces, the model allows traction–separation laws to govern the entire fracture process from elastic loading, through damage initiation at peak traction, to progressive degradation and eventual failure controlled by critical fracture energies. This capacity to replicate mixed-mode fracture, involving both Mode I opening and Mode II shear, makes cohesive zone modeling particularly suited to bonded joint analyses, where real loading scenarios rarely involve pure modes. The main objective of this M.Sc. thesis is to establish a fully automated, parametric cohesive zone model based framework for investigating the interplay of three critical parameters: adhesive thickness, overlap length, and adhesive material type. Unlike many prior studies that focused on one parameter at a time, this work explicitly considers their coupled effects, allowing for a more realistic and comprehensive understanding of structural performance. Four commercially relevant adhesives, namely AV138/HV998, Hysol EA 9361, Sikaforce 7888, and Araldite 2015, were chosen to represent a range from brittle to ductile systems. Their traction–separation properties were derived from literature-based tensile and shear test data, including double cantilever beam and end-notched flexure fracture energies. Importantly, the parameters were not taken as fixed constants but formulated as explicit functions of thickness, capturing both intrinsic fracture toughness and additional plastic dissipation effects in thicker layers. A robust Python scripting infrastructure was developed in Abaqus to automate every stage of the simulation workflow, including geometry construction, mesh generation, cohesive property assignment, job submission, and result post-processing. This automation ensured repeatability and allowed the exploration of large design matrices that would be impractical to evaluate manually. The outputs, including load–displacement curves, ultimate load, dissipated fracture energy and damage variables, were systematically extracted and synthesized into design maps. These maps serve as quick-reference engineering guidelines that identify optimal regions of adhesive thickness and overlap length for each adhesive system. For instance, the ductile Hysol EA 9361 demonstrated a non-monotonic response with optimum performance in the 0.20–0.30 millimeter thickness range, while the brittle Araldite 2015 performed best with thin bond-lines and shorter overlaps. While the parametric study itself yields valuable insights, the thesis advances one step further by integrating multi-objective optimization into the framework. Using ModeFRONTIER as the optimization environment, adhesive thickness, overlap length, and adhesive type were treated as decision variables, while the objectives were defined as maximizing both ultimate load and energy dissipation. A constraint was imposed on minimum damage progression to ensure structural integrity and avoid solutions that rely on premature cohesive failure. The MOGA-II evolutionary algorithm was employed, chosen for its ability to handle nonlinear and discontinuous responses typical of cohesive zone based simulations The optimization campaign generated approximately 997 unique design points, of which only 273, representing about 27 percent, converged successfully due to the intrinsic numerical challenges of modeling progressive damage in brittle adhesives. Among these, 98 solutions, representing about 10 percent of the total runs, satisfied all objectives and constraints, forming the final Pareto-optimal set. The results confirmed several important trends. Adhesive thickness does not exhibit a simple monotonic relationship with performance, since depending on the adhesive type, increasing thickness can enhance ductile energy absorption but diminish peak load capacity. Overlap length consistently plays a dominant role in determining strength, though beyond a critical threshold additional length contributes little to further performance gains. Adhesive selection emerges as the most influential parameter, dictating whether trade-offs between energy and load are favorable or limiting. Visualization of the Pareto fronts highlighted how engineers can navigate between conflicting objectives. When prioritizing maximum load, brittle adhesives such as AV138 or Araldite 2015 may appear attractive. However, when energy absorption and damage tolerance are equally valued, ductile systems such as Hysol EA 9361 or Sikaforce 7888 provide superior balance. These trade-offs underscore the necessity of multi-objective approaches rather than single-metric optimization in bonded joint design. The combined parametric and optimization framework represents the innovative contribution of this thesis. The parametric design maps offer immediate, interpretable guidelines for specific adhesives, while the optimization study delivers Pareto-based strategies that help designers tailor joints to competing performance requirements. Together, they provide a dual-level tool: on one hand, a practical engineering reference, and on the other, a rigorous decision-making foundation for multi-objective structural design. Equally important is the methodological flexibility of the framework. The automation scripts can be readily extended to new adhesives, alternative adherend materials such as composites, or other joint geometries such as double-lap or scarf joints. The incorporation of thickness-dependent cohesive functions ensures transferability to a broad range of industrial scenarios, where bond-line thickness often varies due to manufacturing tolerances. Moreover, the optimization setup can easily accommodate additional objectives, such as minimizing weight or maximizing fatigue life, further aligning with aerospace industry certification needs. In conclusion, this thesis demonstrates that adhesive joint performance cannot be fully understood by varying a single parameter in isolation. Instead, meaningful design insights arise only when material type, geometry, and damage evolution are examined in concert and optimized under realistic constraints. By delivering both parametric guidelines and optimization-based Pareto strategies, this work provides a comprehensive framework that reduces reliance on experimental trial-and-error and accelerates the adoption of adhesive bonding in critical structural applications. The outcomes make a significant contribution to cohesive zone modeling, adhesive joint design, and computational optimization, positioning this framework as a reference methodology for future industrial and academic studies alike.
Benzer Tezler
- Ponza katkılı tuğla üretimi ve bu tuğlaların mekanik ve boşluk özelliklerinin incelenmesi
The Production of bricks with pumice additive and the investigation of the mechanical and pore properties of these bricks
AYŞE GÜL GÜZEL
- Kulaklı pullukların kulak–toprak ilişkisinin numerik ve analitik yöntemler ile modellenmesi
Numerical and analytical modelling of soil-mouldboard interaction on mouldboard ploughs
İBRAHİM SAVRUKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- Betonun Mod I durumundaki göçmesine agrega konsantrasyonunun etkisi
Başlık çevirisi yok
A. FERHAT SARISU