Öksetik yapı parametrelerinin sandviç malzemelerin mekanik performansına etkisinin araştırılması
Research on effect of auxetic structure parameters on the mechanical performance of sandwich materials
Yazar: ONUR KAYA
Danışman: DOÇ. DR. CİHAN KABOĞLU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ HÜSNÜ BADEMLİOĞLU
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Enerji sönümleme = Energy damping

Özet:
Son yıllarda darbe emiciler için ihtiyaç duyulan yüksek mühendislik özellikleri, öksetik malzemelerden beklentinin artmasına neden olmuştur. Katmanlı imalat yöntemleri ve tasarım araçlarının büyük bir hızla gelişmesi de öksetik malzemelere olan ilgiyi arttırmıştır. Darbe emicilerin çarpışma performansının arttırılmasında öksetik malzemeler önemli başarılar sağlamıştır. Yapılan çalışmalar, eşit kütle koşullarında öksetik malzemelerin, geleneksel malzemelere göre daha iyi çarpışma performansı sağladığını göstermektedir. Öksetik malzemelerin tüpsü yapıda kullanılması, çarpışma performansının arttırılmasına önemli katkı sağlamaktadır. Öksetik malzemelerin tüpsü yapıda farklı hücre geometrileri kullanılarak çarpışma performanslarının araştırıldığı çok sayıda çalışma mevcuttur. Ancak bu çalışmalarda tüpsü öksetik yapılar ince cidarlı olarak ele alınmıştır ve kalın cidarlı öksetik yapıların çarpışma performansı üzerine çok kısıtlı çalışmalar mevcuttur. Bu tez çalışmasında, kalın cidarlı öksetik sandviç tüpün; hücre geometrisi, çekirdek kalınlığı ve kabuk kalınlığı parametrelerinin çarpışma performansı üzerine etkisi araştırılmıştır. Sandviç tüp, öksetik bir tüpün iç ve dış yüzeylerine kabuk eklenmesi ile elde edilmiştir. Çarpışma performansı, düşen ağırlık darbe testi ile deneysel olarak araştırılmış, gösterge olarak Spesifik Enerji Absorbsiyonu ve İlk Tepe Kuvveti ele alınmıştır. Düşen ağırlık darbe testleri için, 3B yazıcı ile üretilmiş test numuneleri kullanılmıştır. Malzeme doğrulanması, düşen ağırlık darbe testi numuneleri ile aynı malzemeden 3B yazıcıda üretilmiş numunelere çekme testi uygulanması ile gerçekleştirilmiştir. Sandviç tüplerin Poisson oranı, Dijital Görüntü Korelasyonu yöntemi ile deneysel olarak belirlenmiştir. Poisson oranı, basma gerilmesi koşulları altında 3B yazıcı ile üretilmiş tüpsü malzemelerin uğradığı deformasyon esas alınarak belirlenmiştir. Çarpışma performansına etkisi araştırılacak parametrelerin seviyeleri, hücre geometrisi için; Double arrow-head, re-entrant circular ve silicomb, çekirdek kalınlığı için; 16, 20 ve 24 mm, kabuk kalınlığı için ise 1,2, 1,6 ve 2,0 mm olarak belirlenmiştir. Sandviç tüp parametrelerinin çarpışma performansına etkisinin araştırılmasında Taguchi deney tasarım yöntemi kullanılmıştır. Taguchi L9 tasarımına göre ihtiyaç duyulan 9 adet 3B yazıcı ile üretilmiş test numunesine, düşen ağırlık darbe testi uygulanmıştır. Test sonucunda elde edilen kuvvet-deplasman eğrilerinden, çarpışma performansının göstergeleri olarak hem Spesifik Enerji Absorbsiyonu hem de İlk Tepe Kuvveti elde edilmiştir. Her iki çarpışma performansı göstergesi de Taguchi yöntemi ile ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Hücre geometrisi ve çekirdek kalınlığı parametrelerinde en iyi çarpışma performansı göstergesini her iki gösterge için de örtüşecek şekilde sırasıyla silicomb ve 16 mm seviyeleri sağlamaktadır. Diğer yandan, spesifik enerji absorbsiyonu için en iyi çarpışma performansını 1,2 mm kabuk kalınlığı sağlarken, ilk tepe kuvveti için 1,6 mm seviyesi sağlamaktadır. Ancak sinal-noise oranı değerleri karşılaştırıldığında iki gösterge için de ortak en iyi çarpışma performansını sağlayan kabuk kalınlığı seviyesinin 1,6 mm olduğu belirgin şekilde görülmektedir. Ayrıca sandviç tüp parametrelerinin çarpışma performansı üzerindeki etki seviyelerini araştırmak için ANOVA analizi uygulanmıştır. Spesifik enerji absorbsiyonu için hücre geometrisi, kabuk kalınlığı ve çekirdek kalınlığının etki oranları sırasıyla 61,62, 10,98 ve 20,83 tür. İlk Tepe Kuvveti için hücre geometrisi, kabuk kalınlığı ve çekirdek kalınlığının etki oranları ise sırasıyla 52,33, 38,37 ve 8,24 tür.

Abstract:
In recent years, the high engineering properties required for shock absorbers have led to increased expectations from auxetic materials. The increasing development of additive manufacturing methods and design tools has also increased the interest in auxetic materials. Auxetic materials have achieved significant success in improving the crash performance of shock absorbers. Studies show that auxetic materials provide better crash performance than conventional materials under equal mass conditions. The use of autectic materials in tubular structure contributes significantly to the improvement of crash performance. There are many studies investigating the crash performance of autectic materials using different cell geometries in tubular structure. However, in these studies, tubular autectic structures are considered as thin-walled and there are very limited studies on the crash performance of thick-walled auxetic structures. In this thesis, the effect of cell geometry, core thickness and shell thickness parameters on the crash performance of thick-walled auxetic sandwich tube is investigated. The sandwich tube was obtained by adding a shell to the inner and outer surfaces of a auxetic tube. Crash performance was investigated experimentally with a drop weight impact test, and Specific Energy Absorption and Initial Peak Force were considered as indicators. For the drop weight impact tests, 3D printed test specimens were used. Material verification was carried out by applying tensile tests to 3D printed specimens of the same material as the drop weight impact test specimens. The Poisson ratio of the sandwich tubes was determined experimentally by the Digital Image Correlation method. Poisson ratio was determined based on the deformation of the tubular materials produced by 3D printer under compressive stress conditions. The levels of the parameters whose effect on the crash performance will be investigated were determined as Double arrow-head, re-entrant circular and silicomb for cell geometry, 16, 20 and 24 mm for core thickness, and 1.2, 1.6 and 2.0 mm for shell thickness. Taguchi experimental design method was used to investigate the effect of sandwich tube parameters on crash performance. According to Taguchi L9 design, a drop weight impact test was applied to 9 3D printed test specimens. From the force-displacement curves obtained as a result of the test, both Specific Energy Absorption and Initial Peak Force were obtained as indicators of crash performance. Both crash performance indicators were evaluated separately by Taguchi method. For the cell geometry and core thickness parameters, the silicomb and 16 mm levels provide the best crash performance indicators, respectively, overlapping for both indicators. On the other hand, 1.2 mm shell thickness provides the best crash performance for specific energy absorption, while 1.6 mm provides the best crash performance for initial peak force. However, when the sinal-to-noise ratio values are compared, it is clearly seen that the shell thickness level that provides the best crash performance for both indicators is 1.6 mm. In addition, ANOVA analysis was applied to investigate the effect levels of sandwich tube parameters on crash performance. For specific energy absorption, the effect ratios of cell geometry, shell thickness and core thickness are 61.62, 10.98 and 20.83, respectively. For Initial Peak Force, the effect ratios of cell geometry, shell thickness and core thickness are 52.33, 38.37 and 8.24, respectively.