Kompozit sandviç kirişlerin eğilme darbe davranışının incelenmesi
Bending impact behavior of composite sandwich beams
Yazar: UMUT ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KEMAL APALAK
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kompozit kirişler = Composite beams ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
Kullanım amacına ve uygulama yerine göre malzemenin maruz kalabileceği darbeler çok farklı şekillerde olabilir ve mühendislikte mekanik uygulamalarda, dışarıdan gelecek bir darbeye karşı istenmeyen sonuçların ortaya çıkmaması için, malzemenin gösterebileceği en uygun davranışı göstermesi istenir. Metallerin darbe davranışı elastik uzama ve plastik şekil değiştirme şeklinde meydana gelir. Metallerde darbe hasarı genellikle çarpma yüzeyinde gelişir ve başladığı anda kolay bir şekilde tespit edilebilir. Kompozit malzemelerde ise bir darbe sonucunda oluşan hasar, çarpma türüne göre darbeye maruz kalmayan yüzeyde meydana gelebilir, iç yapıda oluşan tabakalar arası ayrılma şeklinde başlayabilir. Bir kompozit plakanın darbe sonrası nasıl bir deformasyona maruz kaldığı ve bu deformasyon sonucu plakada oluşabilecek hasarların bilinmesi önem arz etmektedir. Eğer darbe sonrası plaka üzerinde oluşabilecek hasarlar biliniyorsa toplam bağlantının tamamen hasara uğramadan gerekli önlemler alınabilir. Parça üzerine yama gerektiriyorsa yama yapılabilir, değiştirilmesi gerekiyorsa değişim talep edilebilir. Bu tez çalışmasının amacı, kompozit sandviç kirişlerin farklı darbe enerjileri altındaki davranışını incelemek, kompozit sandviç kirişleri oluşturan elemanların bireysel davranışlarını ayrı ayrı irdelemektir. Sandviç yapılar birden fazla malzemenin bir araya gelmesi ile oluştuğu için darbe davranışına her bir malzemenin etkisinin araştırılması gerekmektedir. Sandviç yapılarda istenilen en uygun tasarım düşük maliyet ve yüksek eğilme rijitliğinin elde edilmesidir.  

Bu tez çalışmasında, kompozit sandviç kirişlerin düşük hızlı darbe davranışı üç boyutlu sonlu elemanlar metodu kullanılarak modellenmiş ve deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır. Öncelikli olarak kompozit sandviç kirişlerin darbe davranışlarının incelenmesinde kullanılan yöntemler araştırılmış ve açıklanmıştır. Yapılan ön çalışmalarda kullanılan yöntemler doğrulanmıştır. Kompozit sandviç kirişlerin düşük hızlı eğilme darbe davranışı, farklı yüzey plakası malzemesi, kompozit yüzey plakasının farklı fiber açıları, farklı yüzey plakası kalınlıkları, köpük çekirdeğin farklı yoğunluk ve kalınlıkları, farklı darbe enerjileri ve sanki-statik eğilme testi dikkate alınarak incelenmiştir. Fiber takviyeli kompozitler kullanılan üç boyutlu sonlu elemanlar yazılımına uygun kullanıcı tanımlı malzeme modeli (VUMAT) kullanılarak modellenmiştir. Üç boyutlu hasar kriterleri dikkate alınmış ve hasarlar, altı farklı hasar kriteri, çekme altında fiber ve matris, basma altında fiber ve matris, kayma ve delaminasyon hasarı, ile kontrol edilmiştir. Plakalar ve köpük malzemesi arasındaki yapıştırıcı katmanı dikkate alınmış ve kohezif bölge modeli kullanılarak modellenmiştir. Ceast marka Fractovis Plus test cihazında darbe testleri yapılmış ve sayısal sonuçlar ile deneysel veriler mukayese edilmiştir. Darbe testleri sonrasında sandviç kirişlerin statik yükler altındaki davranışı da araştırılmıştır.    

Kompozit sandviç kirişlerin düşük hızlı darbe davranışları, temas kuvveti, kinetik enerji ve temas kuvveti-yer değiştirme değişimi açısından incelenmiştir. Sandviç kirişlerin darbe sonrası görüntüleri, kompozit tabakalarda meydana gelen hasar bölgeleri ve alanları, dabre sonrası numunelerin Mikro-Ct tarama ile üç eksendeki kesit görüntüleri, element analizi ile her bir malzemedeki iç hasarlar araştırılmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlar arasında iyi bir uyum yakalanmıştır. En yüksek temas kuvvetleri, yüzey malzemesi karbon fiber takviyeli kompozit kirişlerde, yüksek plaka kalınlığına sahip sandviç kirişlerde, yüksek köpük yoğunluğuna ve kalınlığına sahip sandviç kirişlerde meydana gelmiştir. Köpük yoğunluğunun ve kalınlığının artışı hasar alanları azalmıştır. Fiber açısı değişimi darbe davranışına etki eden birincil parametredir. 45 ◦ ve 90 ◦ fiber açısına sahip kirişlerde hasarlar ve kırılmalar meydana gelmiştir. Darbe sonrası numunelerin Mikro-Ct analizleri, kompozit sandviç kirişlerin darbe bölgelerinin üç eksendeki kesit görüntülerini vermiştir. Kompozitlerin hasar gelişimi incelenmiştir. Artan darbe enerjileri daha fazla hasara neden olmuştur. Düşük şekil değiştirme hızı altında kompozit sandviç kirişlere eğilme testi yapılmıştır. Hasar mekanizmasının ve eğilme davranışının tamamen değiştiği görülmüştür. Bu sayede darbe davranışına etki eden tüm tesirler incelenmiştir. Statik yük altında eğilme maruz kalan sandviç kiriş daha büyük temas kuvveti vermiştir. En yüksek ve en düşük dayanıma sahip sandviç kiriş geometrileri oluşturularak kirişlerin statik yük altındaki taşıyabileceği yükün sınırları belirlenmiştir.

Abstract:
Impact response of material may depend on its application area and use-purpose. In order to avoid the unstable responses of material due to any external effect, an optimal response from the material is requested. Materials deform elastically and plastically under an impact load in a short period. Impact mechanism develops strongly with surface conditions, and becomes more apparent on impacted surface whereas damage may initiate inside composite materials, such as along interfaces between layers rather than on the impacted surfaces of composite material. It is important to know how a composite plate undergoes a deformation mechanism after impact and the damage mechanism that may occur in deformed composite plate. If the damage is known in the plate after the impact, necessary measurements can be taken such that the all joint can not be damaged. After damage a patch or a replacement can be required out the joint. This thesis aims to investigate the damage behavior of composite sandwich beams under different impact energies. Since sandwich structures are formed by a combination of more than one material, the effect of each material on impact behavior should be investigated individually. The most optimum design desired in sandwich constructions is such that a low cost and high bending stiffness can be achieved. 

In this thesis, the low speed impact behavior of composite sandwich beams is modeled using three dimensional dynamic finite element method and the predicted results are proved by experimental results. Firstly, the methods used to investigate the impact behavior of composite sandwich beams were discussed. The methods used in the preliminary studies were also verified. The low-speed bending impact behaviors of composite sandwich beams were investigated for different skin-plate materials, different fiber angles of the composite skin plate, different skin plate thicknesses, different density and thicknesses of the foam core, different impact energies and different deformation rates. The fiber reinforced composite plates were modeled using the user-defined material model (VUMAT) embedded into the three-dimensional finite element software (\ABAQUS). Three dimensional damage criteria were implemented and the damage at each integration point was monitored based on six different damage criteria, fiber and matrix under tension, fiber and matrix under compression, shear and delamination damage. An adhesive layer between two skin plates and a foam-core was considered and modeled using the cohesive zone model. The quasi-static behavior of sandwich beams was also investigated in order to show the inertial effects. 

The low-speed impact behaviors of composite sandwich beams were investigated in terms of contact force, kinetic energy and contact force-displacement change. The after-impact images of the sandwich beams, damage zones and areas in the composite laminates, the cross-sectional views of the deformed samples via Micro-Ct scanning with three axes, and elemental analysis of the internal damage of each material were investigated. A good agreement was obtained between experimental and predicted results. The higher contact forces appeared in the sandwich beams with high foam density and thickness, as well as in sandwich beams with thicker skin plates. Increasing foam density and thickness reduced the damage areas. The fiber angle was a primary parameter affecting impact behavior. The beams with fiber angles of 45 ◦ and 90 ◦  were damaged and broken. The detailed Micro-Ct analyses of after-impact samples allowed us to analyze three axial cross-sectional views of impacted zones of composite sandwich beams. The damage propagation in composite beams was investigated. A higher impact energy caused damage areas to increase. The composite sandwich beams were subjected to a bending static test under a very low strain rate. The damage mechanism and bending behavior were completely changed. The effects of all parameters on impact behavior were examined. The sandwich beams subjected to a static bending load resulted in higher contact force. The sandwich beams having considering lowest and highest strength were determined based on both static and dynamic bending loads.