Karbon-fiber takviyeli kompozit malzemelerin talaşlı imalatı'nın sonlu elemanlar simulasyonu
Finite element simulation of machining of carbon-fiber reinforced composite materials
Yazar: TALHA SUNAR
Danışman: DOÇ. DR. OĞUZ ÇOLAK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: CNC frezeleme = CNC milling ; Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
Kompozitler genellikle özel imalat yöntemleriyle son şekillerine yakın imal edilirler. Fakat yinede bu malzemelerin bağlantıları veya montajları için geleneksel olmayan diğer imalat yöntemlerinin yanında (lazerle, aşındırıcı su jetiyle kesme) geleneksel imalat yöntemleri de sıklıkla kullanılır. Bunlar, delik delme, çevresel veya yüzey frezeleme gibi geleneksel işlemler olarak ifade edilebilir. 

Tabakalı kompozit malzemelerin anizotropik yapılarından dolayı geleneksel imalat yöntemleri kullanımı çeşitli zorluklara sebebiyet verir. Bunlar aşırı takım ısınması ve aşınması, malzemede meydana gelen düzensiz hasarlar ve tabakaların ayrışması, fiberlerin matris arayüzünden çıkması gibi bazı istenmeyen durumlardır. 

Bu çalışmanın birinci kısmında karbon fiber takviyeli kompozit malzeme üzerinde 2 farklı fiber kesme açısında, 2 farklı kesme hızında ve belirlenen 5 farklı ilerleme oranında toplam 20 adet frezeleme deneyi uygulanmıştır. Bu testlerden ölçülen ortalama kesme kuvveti verileri kullanılarak ortalama kesme kuvveti sabitleri belirlenmiştir. İkinci kısmında ise genel sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak aynı işlem modellenmiş ve kesme kuvvetleri elde edilmiştir. Kompozit plaka farklı fiber yönelimine sahip ayrı ayrı katmanların üst üste yerleşimiyle modellenmiştir. Tabakalar arasındaki delaminasyonu modellemek için tabakaların temas yüzeylerine yüzey merkezli yapışkan bölge ilişkisi tanımlanmıştır. Tabaka içi hasar kriteri olarak Hashin hasar başlangıç kriteri kullanılmıştır. Tabakalar arası hasar kriteri olarak maksimum gerilme kriteri kullanılmıştır. Tabaka içi ve tabakalar arası hasar gelişimi için ise enerji dağılımı yasası kullanılmıştır.

Abstract:
Generally composites are manufactured to near-net-shape. For their assembly operations, beside some untraditional manufacturing methods (laser beam cutting, abrasive water jet machining), traditional methods are frequently used. They can be explained as traditional operations such as drilling, edge and face milling.

The anisotropic structures that the composites have, leads various difficulties for traditional manufacturing methods. These are undesired situations like, excessive temperature and tool wear, unpredictible damages at the workpiece, the pulling out of the fibers from the matrix interface and seperating of the laminates. 

In the first part of this study, totally 20 milling experiments were carried out to carbon fiber reinforced composite material with 5 feed ratio, 2 cutting velocity and 2 fiber cutting angle. The average cutting force data was measured from the experiments, are used for the determine the average cutting force coefficients. In the second part, The same process was modelled and cutting forces were obtained with using a general finite element software. The composite plate was modelled with the different laminates which have different fiber orientations. Surface based cohesive behavior was defined to the contact faces of the laminates, for modelling the delamination. The Hashin's damage parameter was used as in-plane damage initiation cirteria. The maximum stress criteria was used for interlaminar damage initiation. For both the in-plane and interlaminar damage evolution the energy dissipation law was used.