Geri Dön

The ımpact ınduced damage behavıour of carbon/epoxy plates

Karbon/epoksi levhalarin darbeye bağli hasar davranişi

PDF İndir

  1. Tez No: 985111
  2. Yazar: SEVGİ ÖZTEKİN NARİN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU, DR. ÖMER EKSİK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Yüksek mukavemet ve hafiflik gibi çeşitli üstün özellikleriyle havacılık endüstrisinde yaygın olarak kullanılan karbon/epoksi kompozitlerin darbe özellikleri son yıllarda yaygın olarak çalışılan bir konudur. Güvenilir tasarımlar için çekme, kesme ve yorulma özelliklerinin yanı sıra darbe dayanımı özelliklerinin de bilinmesi gerekir. Çünkü havacılık yapılarında kompozit malzemelerin artan kullanımı büyük ölçüde yüksek özgül mukavemetlerine, sertliklerine ve üstün yorulma performanslarına atfedilir. Ancak, bu malzemelerle ilişkili en kritik zorluklardan biri, darbe yükleme koşulları altındaki davranışlarıdır. Havacılık uygulamalarında, kompozit bileşenler sıklıkla alet düşürme, dolu, kuş çarpması ve pist kalıntıları gibi çeşitli darbe senaryolarına maruz kalır ve bunların hepsi dışarıdan görülebilir hasar göstermeden yapısal bütünlüğü tehlikeye atabilir. Metalik malzemelerin aksine, kompozitler matris çatlaması, delaminasyon ve lif kırılması gibi karmaşık mekanizmalar yoluyla bozulma eğilimindedir ve bu genellikle mekanik performansta önemli bir azalmaya yol açar. Bu nedenle, kompozit malzemelerin darbe tepkisinin kapsamlı bir şekilde anlaşılması, yeni nesil havacılık sistemlerinin güvenli ve güvenilir tasarımı için esastır. Genel olarak sonlu elemanlar analiz (FEM) modellemesi yapılarak darbe tepkisinin karakterinin etkisi hakkında bilgi edinilerek yapıdaki hasar hakkında daha güvenilir sonuçlar oluşturulabilir. Sonlu elemanlar analiz programlarından LS-DYNA, ANSYS, ABAQUS gibi programlar çarpışma testleri için en tercih edilen programlardır. Kısaca kompozit malzemelerin kullanımının artması ve tasarımlarında daha başarılı ve hızlı olunması için FEM yöntemiyle modellenmesi beraberinde bukonulara olan araştırmaların artmasını sağlamıştır. Literatürde de son zamanlarda konuya ilişkin çalışmalar çoğunlaşmıştr. Bu tezde, otoklav prosesi ve diğer mekanik testlerin ardından karbon/epoksi kompozit levhalara uygulanan parçacık darbe testleri ve LS-DYNA programı kullanılarak yapılan sonlu elemanlar analizi sunulmaktadır. Öncelikle düz örgülü karbon fiber prepregler temiz odada kalıplanması yapılmıştır. Kalıp işlemi sırasında kalıp yüzeyinin temizlenir ve yüzeye kalıp ayırıcı sürülür. Bu sırada önceden kesilen ve işlem öncesi yumuşaması için dışarıda bir süre bekletilen donuk prepregler spatula yardımıyla üst üste dizilip dışındaki poşetler çıkarılmadan ara vakuma alınır. Kalıp yüzeyini örtecek kadar peel ply kesilir ve örtülür. Vakumlanmış prepregler geri kalıp yüzeyine yerleştirilir. Tekrardan prepreglerin üstüne peel ply serilir. Vakum portlarına iki kat olacak şekilde en üste keçe koyulur ve vakum portun yuvası keçe üstüne yerleştirilir. Bu işlemden sonra vakum torbası örtülür. Bu örtüm sırasında sealant yardımıyla kulaklar yapılır. Hazırlanan vakum torbasına vakum portları yerleştirilir. xxiv Kalıplama sonrası kaçak olmadığı kontrol edilen prepreg sistemi otoklav cihazında belirli sıcaklık ve basınç kürlemesi yapılarak kompozit üretimi sağlanmıştır. Bu işlem sonucu bir set 4 katlı, üç set 2 katlı toplam 4 adet kompozit levha üretilmiştir. Üretimi tamamlanan plakalar su jettinde kesim için Autocad de çizimleri yapılıp total 4 plaka için her plakadan çekme, basma, kayma ve impact test numunesi olacak şekilde kesimleri gerçekleştirilmiştir. Çekme testi ASTM D3039 standardına (Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials), basma testi için ASTM D6641 standardına (Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture) ve kayma testi için de ASTM D7078 (Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by V-Notched Rail Shear Method) standardına göre deneyler gerçekleştirilmiştir. Çekme testinde 4 strain gauge'li 2 strain gauge'siz olacak şekilde 6 test gerçekleştirilmiştir. Test sonrası çekme mukavemeti, Elastisite Modulü, Poisson oranı hesaplanmıştır. Basma testinde ise 4 adet numune kullanılmıştır. Test sonucunda basma mukavemetleri bulunmuştur. Kayma testinde ise 2 adet strain gauge'li numune ve 2 adet de strain gauge'siz numune kullanılmıştır. Deney sonrası hesaplamalar ile plakaların kayma mukavemetleri ve kayma modül değerleri Darbe testi ise İTÜ Uçak ve Uzay Mühendisliği fakültesinde yer alan Kompozit ve Yapı Laboratuvarında bulunan“Parçacık Fırlatma Test Düzeneği”inde gerçekleştirilmiştir. ASTM D8101/D8101M standardı baz alınarak gerçekleştirilmiştir. Deney düzeneği 200 x 200 mm ebatlarındaki iki plaka arasına boşluk konularak oluşturulmuştur ve 10 mm çapındaki bir çelik küre tüm kenarlarından sabitlenmiş plakalar üzerine 100 m/s hızla fırlatılmıştır. Üretilen her bir set plakadan iki adet çarpışma testi numunesi çıkarıldığı için total 6 çarpışma testi plakası düzeneğe ikişerli yerleştirilerek total 3 deney yapılmıştır. Sırasıyla ön 2 katmanlı – arka 2 katmanlı plaka, ön 2 katmanlı – arka 4 katmanlı plaka ve son olarak ön 4 katmanlı – arka 2 katmanlı plaka olacak şekilde test gerçekleştirilmiştir. Parçacık fırlatma testleri sırasında ilk iki testte ve her iki plakada gözle görülecek delikler oluşmuşken üçüncü testte arka plakada sadece yüzeyde oluşan şekil bozukluğu oluşmuştur. Özellikle ilk iki testteki arka plakalardaki hasar boyutu ön plakaya göre daha büyük olduğu görülmüştür. Test sonrası hasar görmüş plakalara karakterizasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Plakaların hasar bölgeleri yüksek çözünürlüklü makro görüntü alan kamera yardımıyla görüntüleri çekilmiş ve incelenmiştir. Detaylı makro görüntü incelemelerinden sonra SEM cihazında ayrıntılı inceleme yapılarak hasar modları ve mekanizmaları araştırılmıştır. Ayrıca ISO1172 standardına göre kalsinasyon işlemi yapılarak fiber/matris oranı hesaplanmıştır. Karakterizasyon sonrası ilk plakayı delip ikinci plakayı da delen vaya zarar veren bu parçacık fırlatma deneyi LS-DYNA programında modellenmiştir. LS-DYNA programı analiz için çeşitli anahtar kelime girdileri içerir. Kontak kartı için“CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE”ve“CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_COMPOSITE”kartları denenmiş ve modellemelrin karşılaştırılması sonucu“CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE”kartı tercih edilmiştir. xxv Malzeme bilgilerinde ise çelik küre için“MAT020_RIGID”ve plakalar için malzeme kartları olarak“MAT054/055_ENHANCED_COMPOSİTE_DAMAGE”seçilmiştir.“MAT054/055_ENHANCED_COMPOSİTE_DAMAGE”ın seçilmesinin nedeni Tsai-Wu hasar kriterine dayanmasıdır. Bu malzeme kartlar tarafından talep edilen malzemenin mekanik özellik bilgisi yapılan çekme, basma ve kayma testleri sonrası elde edilen değerlerle sağlanmıştır. Ayrıca modelleme sırasında mesh hassasiyeti için x ve y boyunca eleman sayısı belli bir sayıda sabitlenerek tüm modellemeler yapılmıştır. Daha sonra parçacık fırlatma deneylerinin modelleme sonucu ve test sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu tezde karbon/epoksi kompozit plakalarda çarpma yükü altında mekanik davranışlarını incelenmiş ve sayısal olarak modellenmiştir. Deneylerdeki hasar görüntüleri ve modellemelrdeki hasar görüntüleri karşılaştırılıp aynı şekilde olmamasının sebebi modellemenin tüm fiber ve laminant yapıyı içeren heterojen şekilde yapılmayıp homojen yapıda yapılması olduğu tespit edilmiştir. Bu modelleme sırasında parçacık fırlatma teslerindeki enerji absorbsiyonun incelenmesi, darbe anındaki mekanizmanın modellenerek sayısal olarak irdelenmesi hedeflenmiştir. Bunun için test sonrası hasar çevre uzunlukları ile modellemedeki hasarların çevre uzunlukları karşılaştırılmış ve oldukça küçük hata yüzdelikleriyle birbirleriyle tutarlı olduğu görülmüştür. Ek olarak, plaka iç enerjileri de karşılaştırılarak genel tutarlılık pekiştirilmiştir. En son yapılan SEM incelemeleriyle sonuçlar kuvvetlendirilmiştir.

Özet (Çeviri)

The impact properties of carbon/epoxy composites, which are widely used in aerospace industry with their various superior properties such as high strength and lightness, are a subject that has been widely studied in recent years. Because for reliable designs, the impact resistance properties as well as tensile, shear, and fatigue properties must be known. In general, by modeling in finite element analysis software and information of the effect of the character of the impact response, more reliable conclusions about the damage to the structure can be created. This thesis presents the particle impact tests applied to carbon/epoxy composite plates, after manufacture of autoclave proses and other mechanical tests, and finite element analysis using the LS DYNA program. First of all, a total of 4 composite plates are produced from plain weave carbon fiber prepregs using the autoclave method, one set of 4 plies, three sets of 2 plies. The mechanical properties of the samples obtained from these plates by water jet cutting are determined by applying various tests such as tensile, compression and shear according to ASTM standards. After the mechanical values obtained, impact tests are performed on the plates in various combinations. The experimental setup is created by placing a gap between two plates of 200 x 200 mm and a steel sphere with a diameter of 10 mm is thrown at a speed of 100 m/s onto the plates fixed from all edges. This experiment, which perforates the first plate and damages the second plate, is modeled in the LS-DYNA program and the model and the experiment are compared. In addition, characterization is performed on the damaged samples. After examining the macro images with a stereo microscope, the fracture mechanism is examined by observing the deformation of the sample with an scanned electron microscope (SEM). Moreover, fiber/matrix fraction was calculated with calcination prosess according to ISO 1172. Thus, the mechanical behavior of the carbon/epoxy composite plates under the impact load is investigated and numerically modeled.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    439619

    Investigation of the effect of carbon nanotubes on hybrid glass/carbon fiber reinforced composites

    Karbon nanotüp kullanımının karbon/cam hibrit kompozitler üzerindeki etkisinin incelenmesi

    SHAHRUKH SHAHBAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. ÖMER BERK BERKALP

  2. Tez No

    969749

    Atık plastik ikamesinin ve CFRP sargının betonarme kolonların tekrarlı yükler altındaki davranışına etkisi

    The effect of waste plastic replacement and CFRP wrapping on the behavior of reinforced concrete columns under cyclic loading

    ÖMER FATİH SANCAK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUHAMMET ZEKİ ÖZYURT

    PROF. DR. MEHMET EMİN ARSLAN

  3. Tez No

    965551

    Yüksek manganlı çeliklerde alaşım elementlerinin mekanik özelliklere etkisi

    Effect of alloying elements on the mechani̇cal properties of high-manganese steels

    İSMAİL KANKAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET UYSAL

    DOÇ. DR. UĞUR GÜROL

  4. Tez No

    800893

    B segmenti bir binek araçta amortisör yayının kırılma analizi

    Failure analysis of the damper spring in a B-segment passenger car

    EREN ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KENAN GENEL

  5. Tez No

    1017186

    Jüt lifi takviyeli polipropilen kompozitlerde maleopimarik asidin uyumlaştırıcı etkisi

    The effect of maleopimaric acid as a compatibilizer on jute fiber reinforced polypropylene composites

    MESUT TOZAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL

Geri Dön