Kaynaklı ve yapıştırmalı ince cidarlı yapıların mekanik davranışlarının belirlenmesi
Determination of the mechanical behavior of thin walled welded and adhesively bonded structures
Yazar: EFE IŞIK
Danışman: PROF. DR. ÇİÇEK ÖZES
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İnce cidarlı dairesel kesitli içi boş yapıların, otomotiv endüstrisinde, inşaat ve denizcilik sektörlerinin birçok alanında, tahrik milleri, motor valfleri, boru hatlarında ve çeşitli bileşenlerde yaygın olarak kullanımı günden güne artmaktadır. Maliyet ve ağırlık ekonomisi, yeni malzemelerin ve analiz yöntemlerinin geliştirilmesi gibi birçok faktör bu artışa katkıda bulunmaktadır. Otomotiv endüstrisinde de ince cidarlı dairesel kesitli boruların kullanımı hem maliyet açısından hem de hafiflik açısından büyük avantajları beraberinde getirmektedir. Günümüzde araçlarda aranan yüksek performans, yakıt verimliliği ve düşük karbon salınımı gibi çevreci özellikler, güç ve hareket aktarımı uygulamalarında alternatif düşük yoğunluğa karşın yüksek dayanım ve rijitlik sağlayan kompozit malzeme kullanımını da öne çıkarmaktadır. 
Uygulamadan bağımsız olarak gerek ince cidarlı metal-metal bağlantısı olsun gerekse ince cidarlı metal-kompozit malzeme bağlantısı olsun, bağlantı bölgesi yapının en zayıf yönü olarak karşımıza çıkmaktadır.
Kara taşıtlarında güç aktarım elemanı olarak yaygın bir kullanıma sahip olan kardan millerinin bir alt komplesi olan sabit kardan mafsalının bir parçası olan tüp çatal ile ince cidarlı boru bağlantısının uygulama örneği olarak seçildiği bu çalışma iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, ince cidarlı iki farklı çelik malzemenin bir katı hal birleştirme yöntemi olan sürtünme kaynağı ile kaynak edilebilirliği ve kaynaklı bağlantının mekanik özellikleri araştırılmıştır. Sürtünme kaynağı ile birleştirilmiş ince cidarlı soğuk çekme dikişli boru ve mikro alaşımlı tüp çatal bağlantılarının statik burulma testi ile burulma yükü taşıma kapasiteleri, araç saha verilerinden hareket ile belirlenen farklı burulma yükü seviyelerinde tam değişken yorulma testleri yardımı ile de bağlantıların burulma yorulma davranışları belirlenmiştir.
İkinci aşamada ise sabit kardan mafsalının bir parçası olan tüp çatal ile ince cidarlı boru bağlantısını temsilen, çift bileşenli akrilik yapıştırıcı ile birleştirilen, alaşımsız ıslah çeliği kullanılarak üretilmiş olan dairesel kesite sahip içi boş bir boru (metal adaptör) ile filaman sarım tekniği kullanılarak üretilmiş olan karbon fiber takviyeli bir kompozit boru ele alınmıştır. Karbon fiber takviyeli kompozit borunun ve yapıştırma bağlantısının burulma yükü taşıma kapasiteleri nümerik yöntemler ile belirlenmiştir. İlaveten statik burulma testleri ile bağlantının burulma yükü taşıma kapasitesi, araç saha verilerinden hareket ile belirlenen farklı burulma yükü seviyelerinde gerçekleştirilen tam değişken yorulma testleri yardımı ile de bağlantıların burulma yorulma davranışları belirlenmiştir. 
Sonuç olarak her iki bağlantı türü için elde edilen verilere göre, uygulamada kullanılan kaynaklı bağlantı tasarımı ile bu bağlantıya alternatif olarak kullanılabilecek kompozit-metal yapıştırma bağlantısının araç üzeri fonksiyonel performansı ve uygulama pratikleri kıyaslanmıştır.

Abstract:
The widespread use of thin-walled circular cross-section hollow structures in drive shafts, engine valves, pipelines and various components in many areas of the automotive industry, construction and marine sectors is increasing day by day. Many factors contribute to this increase, such as cost and weight economies and the development of new materials and analysis methods. In the automotive industry, the use of thin-walled circular cross-section pipes brings great advantages in terms of both cost and light weight. The high performance, fuel efficiency and environmental features such as low carbon emissions required in today's vehicles also emphasize the use of composite materials that provide high strength and rigidity despite alternative low density in power and motion transmission applications.
Regardless of the application, whether it is a thin-walled metal-to-metal connection or a thin-walled metal-composite material connection, the connection region appears to be the weakest aspect of the structure.
This study, in which the thin-walled tube connection with the tube fork, which is a part of the fixed cardan joint, which is a sub-assembly of the cardan shafts, which are widely used as power transmission elements in land vehicles, is selected as an application example, consists of two stages. In the first stage, the weldability of two different thin-walled steel materials by friction welding, a solid-state joining method, and the mechanical properties of the welded joint were investigated. The torsional load carrying capacities of friction welded thin-walled cold drawn welded tube and micro alloy tube fork joints were determined by static torsion test and the torsional fatigue behavior of the joints were determined by full wave full alternating fatigue tests at different torsional load levels determined from vehicle field data.
In the second stage of this study, a hollow tube (metal adapter) of circular cross-section manufactured using unalloyed reclaimed steel, joined with two-component acrylic adhesive, and a carbon fiber reinforced composite tube manufactured using filament winding technique, representing the connection between the tube fork, which is part of the fixed cardan joint, and the thin-walled tube. Torsional load carrying capacity of carbon fiber reinforced composite tube and adhesive joints are defined by numerical methods. In addition, the torsional load carrying capacities were determined by static torsion test, and the torsional fatigue behavior of the connections was determined with the help of bi-directional fatigue tests at a specific torsional load level which was derived from vehicle field data. 
As a result, according to the data obtained for both connection types, the pros and cons of the welded design, which is used in the field in practice, and the composite-metal bonded connection design that can be used industrially, and their performance on the vehicle effects are discussed.