Geri Dön

Comparative numerical and experimental study of homogenized and full-scale fe models for sandwich structures with re-entrant and anti-tetrachiral auxetic cores

Re-entrant ve antı-tetrachıral auxetıc çekirdekli sandviç yapıların homojenleştirilmiş ve tam ölçekli modelleri üzerine sayısal ve deneysel karşılaştırmalı bir çalışma

PDF İndir

  1. Tez No: 982260
  2. Yazar: ÖZGÜR DEĞİRMENCİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ, PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Katmanlı imalat (additive manufacturing, AM) veya yaygın adıyla üç boyutlu (3D) yazıcı teknolojileri, modern mühendislik alanında devrim yaratmış ve karmaşık, hafif, yüksek özgül mukavemetli ve özelleştirilebilir yapıları üretme imkânı sağlamıştır. Geleneksel imalat yöntemleriyle üretimi zor veya imkânsız olan çok karmaşık geometrilere sahip yapıların tasarımı ve üretimi, özellikle AM teknolojilerinin gelişimiyle mümkün hale gelmiştir. Bu gelişmeler, malzeme mühendisliğinde özellikle yapılandırılmış ve hücresel malzemelere yönelik yeni araştırma alanlarının açılmasına katkıda bulunmuş ve negatif Poisson oranı (auxetic behavior) sergileyen auxetic yapılara olan ilgiyi artırmıştır. Negatif Poisson oranına sahip auxetic malzemeler, çekme yükleri altında genişleyen ve basma yükleri altında içe doğru büzülen, dolayısıyla konvansiyonel malzemelerden farklı bir şekilde davranan malzemelerdir. Bu tersine deformasyon mekanizması sayesinde auxetic yapılar, üstün enerji soğurma kapasitesi, yüksek darbe dayanımı, gelişmiş sönümleme özellikleri ve şekil uyumluluğu gibi avantajlar sunar. Özellikle re-entrant ve anti-tetrachiral geometriye sahip auxetic kafes tasarımları, belirli yükleme koşullarında izotropiye yakın mekanik tepkileri, ayarlanabilir rijitlikleri ve büyük deformasyonlar altında stabilitelerini koruma özellikleriyle dikkat çeker. Bu özellikler, söz konusu yapıları havacılık, biyomedikal implantlar ve savunma sanayiinde zırh sistemleri gibi koruyucu uygulamalar için cazip kılmaktadır. Ancak, auxetic yapıların bu karmaşık geometrik düzenleri, tekrar eden hücresel desenleri ve detaylı yük aktarım yolları, sayısal modelleme ve simülasyon çalışmaları açısından büyük zorluklar yaratmaktadır. Her bir geometrik detayın tek tek modellenmesi gereken tam ölçekli sonlu elemanlar analizleri (FEA), lokal gerilme dağılımları, deformasyon modları ve potansiyel hasar bölgelerini doğru bir şekilde tespit edebilmek için tercih edilen bir yöntemdir. Ancak, bu yüksek doğruluk düzeyi, önemli ölçüde hesaplama kaynakları gerektirir ve model boyutu büyüdükçe ağ (mesh) oluşturma, çözüm süreleri ve sonuçların işlenmesi gibi süreçlerin karmaşıklığı da katlanarak artar. Milyonlarca tekrar eden hücreden oluşan büyük ölçekli sistemlerde (örneğin, ısı değiştiriciler veya enerji sönümleyici paneller gibi) tam ölçekli FEA uygulamak, endüstriyel tasarım süreçleri için pratik olmaktan çıkar ve hesaplama süreleri ve donanım gereksinimleri açısından aşırı bir yük oluşturur. Bu zorlukları aşmak için geliştirilen homojenleştirme yöntemleri, karmaşık geometrik detayları, eşdeğer ortotropik veya anizotropik bir malzeme modeliyle temsil ederek analizlerde önemli bir sadeleştirme sağlar. Homojenleştirme, karmaşık kafes yapısını bir temsil hücresi üzerinden ortalama enerji eşitliği esasına göre sadeleştirir ve bu sayede daha düşük ağ yoğunluğu ile global mekanik tepkilerin tahmin edilmesini mümkün kılar. Ancak, bu yöntem lokal gerilme yığılmaları ve detaylı deformasyon modları gibi kritik yerel etkileri tam olarak yakalamakta yetersiz kalabilir. Bu tez çalışmasında, re-entrant ve anti-tetrachiral auxetic çekirdekli sandviç yapıların mekanik davranışları, tam ölçekli ve homojenleştirilmiş sonlu elemanlar modelleri üzerinden detaylı bir şekilde incelenmiş ve farklı yükleme senaryolarında (modal analizi, statik basma, üç nokta eğme ve statik çekme) karşılaştırmalar yapılmıştır. Çalışmada, sayısal model sonuçları, deneysel test sonuçları ile karşılaştırılarak homojenleştirme yönteminin uygulanabilirliği değerlendirilmiştir. Tezin ilk aşamasında, Siemens NX 12 CAD yazılımı kullanılarak re-entrant ve anti-tetrachiral auxetic geometriye sahip detaylı 3D modeller oluşturulmuştur. Bu geometriler, literatürde yaygın olarak kullanılan standart auxetic hücre tasarımlarına dayandırılmıştır. Detaylı tam ölçekli modeller, her bir geometrik ayrıntıyı içeren yüksek çözünürlüklü kafes yapılarını temsil ederken, homojenleştirilmiş modeller, karmaşık geometrilerin yerine, ANSYS yazılımındaki Material Designer modülü ile hesaplanan eşdeğer ortotropik malzeme özelliklerini kullanan basitleştirilmiş modellerden oluşmaktadır. Tez çalışmasının deneysel aşamasında, seçilen geometriler Stratasys Objet Connex 1 cihazı ile, malzeme püskürtme (material jetting) yöntemiyle, VeroBlue RDG840 polimer kullanılarak üç boyutlu yazıcıda yazdırılmıştır. Bu malzeme, yüksek boyutsal hassasiyet ve iyi mekanik özellikler sunması nedeniyle tercih edilmiştir. VeroBlue'nun temel mekanik özelliklerini belirlemek için çekme testleri gerçekleştirilmiş ve elastiklik modülü, Poisson oranı, kesme modülü ve yoğunluk gibi kritik parametreler elde edilmiştir. Ayrıca, basma yüklemesi altında karşılık gelen elastisite modülünü belirlemek amacıyla basma testleri de gerçekleştirilmiştir. Deneysel testler arasında, yapıların doğal frekanslarını ve mod şekillerini belirlemek amacıyla modal analiz, kübik numuneler üzerinde basma testleri ve sandviç paneller üzerinde üç nokta eğme testleri uygulanmıştır. Bu deneysel çalışmalar, hem sayısal modellerin doğruluğunu değerlendirmek için bir karşılaştırma temeli sağlamış, hem de homojenleştirme yönteminin performansını gerçek test verileriyle kıyaslamak için kritik bir rol oynamıştır. Sayısal analiz aşamasında, ANSYS Workbench 2020 R2 yazılımında her iki modelleme yaklaşımı için modal, basma, üç nokta eğme ve çekme analizleri gerçekleştirilmiştir. Homojenleştirme sürecinde, birim hücre analizleri kullanılarak elde edilen eşdeğer elastik sabitler, yoğunluklar ve Poisson oranları, karmaşık kafes yapılarını temsil eden sadeleştirilmiş modellerde uygulanmıştır. Ağ yoğunluğu, birim hücre boyutlandırması ve sınır koşullarının hassasiyet üzerindeki etkileri incelenmiş ve parametrelerin homojenleştirilmiş modellerin doğruluğu üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Sonuçlar, modal analizlerin sayısal modellemeler ile deneysel veriler arasındaki en yakın ve en umut verici uyumu sağladığını göstermektedir. Homojenleştirme yaklaşımı, doğal frekanslar ve mod şekilleri gibi dinamik davranışları tahmin etmede güçlü bir başarı sağlamış ve bu yönüyle önemli bir pozitif sonuç sunmuştur. Modal analizler, homojenleştirilmiş sonlu eleman modellerinin auxetik yapıların dinamik davranışlarını doğru şekilde tahmin edebildiği ve aynı zamanda önemli ölçüde hesaplama avantajı sunduğu en uygun analiz senaryosu olarak öne çıkmıştır. Basma analizleri de oldukça olumlu sonuçlar göstermiş; homojenleştirilmiş modeller, özellikle global rijitlik ve yük-deplasman davranışlarını tahmin etmede, hem tam ölçekli simülasyonlar hem de deneysel test verileri ile büyük ölçüde uyum sağlamıştır. Buna karşın, üç nokta eğme analizlerinde en büyük farklılıklar gözlemlenmiş; homojenleştirilmiş modeller, lokal deformasyon modları, gerilme yığılmaları ve karmaşık hasar mekanizmalarını doğru şekilde tahmin etmede sınırlı kalmıştır. Çekme yüklemelerinde ise detaylı deformasyon desenlerinde bazı küçük farklar bulunmasına rağmen, homojenleştirilmiş modeller genel yük-deplasman tepkilerini tahmin etmede yeterli doğruluğa ulaşmıştır ve mühendislik uygulamaları için kabul edilebilir bir doğruluk düzeyi sağlamıştır. Ayrıca, yapılan analizler üç nokta eğme simülasyonlarının doğruluğunun, malzemenin çekme ve basma altındaki davranışının doğru tanımlanmasına doğrudan bağlı olduğunu göstermiştir. Çekme ve basma testlerinden elde edilen elastisite modüllerinin ortalamasının kullanıldığı ve çekme–basma için ayrı modüllerin tanımlandığı analizlerde, sayısal ve deneysel sonuçlar arasındaki uyum belirgin şekilde artmıştır. Bu durum, auxetic yapılar gibi karmaşık geometrilere sahip polimer esaslı malzemelerin modellenmesinde, doğru malzeme kalibrasyonunun büyük önem taşıdığını ortaya koymuştur. Gerçekçi ve fiziksel olarak tutarlı eğilme ve burkulma tepkilerinin elde edilebilmesi için, hem çekme hem de basma davranışlarının doğru şekilde temsil edilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu bulgu, üç nokta eğme ve genel eğilme analizlerinde malzeme tanımının doğru yapılmasının sonuçların güvenilirliğini doğrudan etkilediğini göstermektedir. Genel olarak bu bulgular, homojenleştirilmiş modellerin erken aşama tasarım çalışmaları, parametrik incelemeler ve büyük ölçekli sistem analizleri için son derece etkili ve pratik bir yaklaşım olduğunu ortaya koymaktadır. Ancak, lokal gerilme dağılımları, hasar başlangıç noktaları ve doğrusal olmayan deformasyon davranışlarının kritik önem taşıdığı senaryolarda, tam ölçekli sonlu eleman modellerinin vazgeçilmez olduğu sonucuna varılmıştır. Tez çalışması, re-entrant ve anti-tetrachiral auxetic çekirdekli sandviç yapıların tam ölçekli ve homojenleştirilmiş modelleri arasındaki temel farkları ortaya koyarak, her iki yaklaşımın avantaj ve sınırlamalarını kapsamlı bir şekilde ele almıştır. Homojenleştirmenin sağladığı hesaplama verimliliği ve hız avantajları, özellikle geniş ölçekli yapılar için analiz yapılması gereken durumlarda büyük önem taşırken, detaylı gerilme dağılımları ve lokal deformasyonlar için tam ölçekli modellerin gerekliliği vurgulanmıştır. Bu çalışma, auxetic yapıların mühendislik tasarımlarında kullanımına yönelik modelleme stratejilerinin geliştirilmesi ve iyileştirilmesi için sağlam bir temel oluşturmuş ve gelecekte hibrit modelleme yaklaşımlarının (global homojenleştirilmiş modeller ile lokal tam ölçekli modellerin birlikte kullanılması) uygulanabilirliğine dair önemli bir öneri sunmuştur.

Özet (Çeviri)

Additive manufacturing (AM), widely known as 3D printing, has transformed the field of structural design by enabling the fabrication of complex, lightweight, and highly customized architectures that are often impossible to produce using conventional manufacturing techniques. This technological advancement has unlocked new possibilities for the exploration of architected materials, particularly auxetic structures, which exhibit a negative Poisson's ratio. Auxetic materials, when stretched, expand laterally rather than contracting, and when compressed, they contract inwards rather than bulging. This counterintuitive behavior imparts auxetic structures with remarkable mechanical advantages, including superior energy absorption, enhanced impact resistance, and improved damping performance, making them highly attractive for a wide range of engineering applications. In particular, re-entrant and anti-tetrachiral lattice geometries have emerged as promising auxetic designs due to their tunable mechanical responses, near-isotropic behavior under specific loading conditions, and ability to withstand large deformations while maintaining stability. These features make them well-suited for use in aerospace panels, biomedical implants, and protective systems such as armor panels for defense applications. Despite the advantages of auxetic designs, their complex lattice architectures, composed of intricate geometrical features and periodic unit cells, present significant challenges in numerical modeling and simulation. Full-scale finite element analysis (FEA), which resolves each geometric detail, provides detailed insight into localized stress distributions, deformation patterns, and failure mechanisms. However, this approach demands substantial computational resources, with the complexity of mesh generation, solver runtimes, and post-processing increasing rapidly as the size of the model grows. For large-scale engineering systems like heat exchangers or energy-absorbing panels, where millions of unit cells may be present, full-scale FEA becomes impractical within typical design workflows. To address these challenges, homogenization techniques have been developed as an alternative strategy. By approximating the periodic lattice as an equivalent orthotropic or anisotropic continuum, homogenization enables significant reductions in model complexity, allowing engineers to analyze large and complex structures more efficiently. Nevertheless, homogenization may struggle to capture localized stress concentrations and detailed deformation behaviors, highlighting the trade-off between accuracy and computational efficiency. This study undertook a comprehensive investigation of sandwich structures incorporating re-entrant and anti-tetrachiral auxetic cores, comparing the mechanical behavior of full-scale and homogenized finite element models under different loading conditions. The research also benchmarks these numerical models against experimental tests to provide a robust assessment of their performance. The study begins with the 3D modeling of the two auxetic lattice designs, using Siemens NX 12 software to generate detailed CAD models of both re-entrant and anti-tetrachiral geometries. These designs were selected based on their prevalence in the literature and their contrasting structural characteristics. The full-scale models capture every geometric feature of the lattice, while the homogenized models simplify the complex geometry into an equivalent orthotropic continuum, derived through numerical homogenization techniques. The physical specimens were fabricated using a Stratasys Objet Connex 1 3D printer via the material jetting method, with VeroBlue RDG840 polymer chosen as the base material due to its suitable mechanical properties and compatibility with high-precision additive manufacturing. To determine the fundamental material properties of VeroBlue RDG840, tensile tests were conducted on printed tensile specimens, establishing key parameters such as Young's modulus, Shear Modulus, Poisson's ratio, and density for use in the numerical simulations. In addition, compression tests were performed to determine the corresponding Young's modulus under compressive loading. Following fabrication, the experimental phase involved a series of mechanical tests to evaluate the structural response of the lattice specimens. Modal response testing was performed using the roving hammer technique to identify the natural frequencies and mode shapes, providing insights into the dynamic behavior of the structures. Static compression tests were conducted on cube-shaped specimens to assess their load-bearing capacity and stress-strain behavior under uniaxial compression. Three-point bending tests were also performed to evaluate the flexural stiffness and deformation response of the sandwich panels under bending loads. These experimental results provided essential benchmarks for comparing the numerical models and evaluating the applicability of the homogenization approach. In the numerical phase, finite element models were developed in ANSYS Workbench 2020 R2 for both full-scale and homogenized representations of the re-entrant and anti-tetrachiral structures. The Material Designer module in ANSYS was used to derive the equivalent orthotropic material properties for the homogenized models, based on representative unit cell analyses. Sensitivity studies were conducted to evaluate the effects of mesh density, unit cell selection, and boundary conditions on the accuracy of the homogenized properties. These homogenized models were then used in modal, compression, three-point bending, and tensile FE analyses to assess the global mechanical behavior of the structures under different loading scenarios. The results indicate that modal analyses yielded the closest and most promising match between numerical predictions and experimental benchmarks, demonstrating a strong positive outcome for the homogenization approach in capturing dynamic behavior, such as natural frequencies and mode shapes. This highlights modal analysis as the most suitable scenario for applying homogenized finite element models in auxetic structures, offering both accuracy and significant computational savings. The compression analyses also showed highly promising results, with homogenized models closely matching full-scale simulations and experimental test data, particularly in predicting global stiffness and load-displacement behavior. In contrast, the three-point bending analyses revealed the largest discrepancies, indicating that homogenized models have limitations in accurately representing detailed local deformation patterns, stress concentrations, and complex failure mechanisms under bending loads. While minor differences were also observed in detailed deformation patterns under tensile loading, these differences were generally within acceptable ranges for engineering applications focusing on global response. Additionally, the study demonstrated that the accuracy of three-point bending simulations strongly depends on the correct definition of material behavior under both tensile and compressive loading. The incorporation of averaged and separately defined Young's modulus for tension and compression significantly improved the correlation between numerical and experimental results. This highlights the necessity of accurate material calibration in modeling polymer-based auxetic lattices to achieve physically consistent predictions of bending and flexural responses. Overall, these findings confirm that while homogenized models are highly effective for early-stage design, parametric evaluations, and large-scale system analyses, full-scale finite element models remain essential for accurately capturing local stress distributions, failure initiation, and nonlinear deformations in complex auxetic sandwich structures. This thesis provides a systematic comparison of full-scale and homogenized finite element models for sandwich structures with re-entrant and anti-tetrachiral auxetic cores, highlighting the trade-offs between computational efficiency and accuracy. Homogenization significantly reduces model complexity and solution times while maintaining sufficient accuracy for global analyses, though careful benchmarking against experimental results is essential. The study emphasizes the importance of considering manufacturing imperfections, such as anisotropy and dimensional variability, in modeling strategies. It offers practical insights for engineering applications where homogenized models enable efficient analysis of large-scale systems. Finally, the findings provide a foundation for future work in hybrid modeling strategies that combine homogenized global models with localized full-scale analyses for enhanced design precision.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    1010386

    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

    Türkçe

    2026

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN

  2. Tez No

    979916

    Yarı sekizgen girintili yapıların mekanik özelliklerinin parametrik olarak incelenmesi

    Parametric investigation of the mechanical properties of semi-octagonal re-entrant structures

    ŞENAY YENER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ KAAN YILDIZ

  3. Tez No

    477720

    Experimental and numerical study on steel fiber reinforced scc and those filled circular structural steel tubes

    Çelik fiber takviyeli kyb ve bununla dolgulu dairesel yapısal çelik tüpler üzerine deneysel ve nümerik bir çalışma

    GHASSAN SUBHI JAMEEL JAMEEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ESRA METE GÜNEYİSİ

  4. Tez No

    825641

    Comparative numerical analysis and modelling of existing, damaged and restored timber structures

    Mevcut, hasarlı ve yenilenmiş ahşap yapıların karşılaştırmalı sayısal analizi ve modellenmesi

    COLLINS ATUGONZA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MÜSLÜM KILINÇ

  5. Tez No

    960587

    Experimental and numerical investigation of boundarylayer transition on airfoils

    Kanat profilleri üzerinde sinir tabakasi geçişinindeneysel ve sayisal incelenmesi

    AHMET ÇAĞDAŞ KALAYCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ UZOL

Geri Dön