Katmanlı kompozit yapıların topoloji optimizasyonu
Topological optimization of lamniated composites structure
Yazar: ERKAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. RECEP GÜNEŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Katmanlı malzeme tanımlanması = Layered material characterization ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites ; Topoloji optimizasyonu = Topology optimization

Özet:
Mekanik tasarımlarda en uygun yapıya karar verilebilmesi için geometrik şeklin ve malzemenin belirlenmesi en öncelikli cevaplandırılması gereken sorulardandır. Bu soruların cevaplanabilmesi için mühendislikte temel iki yaklaşım benimsenmiştir. Bunlardan birincisi bir tasarım alanı ve malzeme belirleyip bunun üzerine gerekli analizlerin yapılmasıdır ki bu yöntem çok fazla zaman almaktadır ve buna karşılık en uygun tasarım elde edilemeyebilir. İkinci yaklaşım ise daha kısa sürede en uygun tasarımın elde edilebilmesini sağlayan yapısal optimizasyon yöntemleridir. Bu yöntemlerde iteratif bir yol izleyerek, sistemin çalışma koşullarına ve malzemeye göre en uygun tasarım alanını sunmaktadırlar. Yapısal optimizasyonlarda en yaygın olarak kullanılan yöntem topoloji optimizasyonudur. Bu tez çalışmasının amaçlarından birincisi farklı serim açılarına sahip karbon fiber takviyeli kompozit yapılar üzerine yapısal topoloji optimizasyonu uygulayarak, geometrilerin yük altındaki kuvvet-yer değiştirme ve enerji sönümleme kabiliyetlerinin deneysel olarak tespit edilmesidir. Çalışmanın diğer amacı, kompozit yapıların modal topoloji optimizasyon analizleri ile elde edilen geometrilerin titreşim ve sönüm karakteristiklerinin deneysel olarak belirlenmesidir.
Çalışmalarda takviye malzemesi karbon fiber, matris malzemesi reçine olan preprek kompozit lamine yapılar kullanılmıştır. Bu kompozit plakalar sonlu elemanlar yazılımı olan Ansys® programında modellenmiştir. Modellemelerde kullanılan malzeme özellikleri deneysel çalışmalarla elde edilmiştir. İlk kısımda, farklı açılardaki lamine plakalardan oluşan modeller üzerine kütle kriterine göre Yapısal Topoloji Optimizasyonu yapılmış ve buradan elde edilen geometriler üzerine üç nokta eğme deneyleri yapılmıştır. İkinci kısımda, frekans ve kütle kriterlerine göre Modal Topoloji Optimizasyonu yapılmıştır ve buradan elde edilen geometriler üzerine deneyler yapılmıştır. Farklı tasarım parametrelerine sahip olarak elde edilen modeller talaşlı imalata uygun olacak şekilde düzenlenmişlerdir.
Farklı fiber açı yerleşimine sahip lamine yapılardan oluşan kompozit plakalar ısı kontrollü pres altında kalıp yardımıyla üretilmiştir. Bu plakalardan, optimizasyon sonucunda elde edilen geometriler talaşlı imalat yöntemleri ile üretilmiştir. Yapısal analiz sonucunda elde edilen numuneler üzerine üç nokta eğme testi yapılarak şekilde değiştirme enerjileri incelenmiştir. Modal analiz kapsamında elde edilen numunelerin doğal frekans ve sönümleme davranışları deneysel olarak incelenmiştir.

Abstract:
In mechanical design, determining the geometric shape and material is among the most critical questions that need to be answered to decide on the most suitable structure. To address these questions, two fundamental approaches are adopted in engineering. The first approach involves defining a design space and material, followed by conducting the necessary analyses. However, this method is time-consuming and may not always lead to the optimal design. The second approach involves structural optimization methods, which allow for the attainment of the most suitable design in a shorter time. These methods follow an iterative process, providing the most appropriate design space according to the system's operating conditions and the material. Among these, topology optimization is the most commonly used method in structural optimizations. One of the objectives of this thesis is to experimentally determine the force-displacement and energy absorption capabilities of geometries under load by applying structural topology optimization to carbon fiber-reinforced composite structures with different ply orientations. The other objective of the study is to experimentally determine the vibration and damping characteristics of the geometries obtained through modal topology optimization analyses of composite structures.
In the studies, prepreg composite laminated structures were used, where the reinforcement material is carbon fiber, and the matrix material is resin. These composite plates were modeled using the finite element software, Ansys®. The material properties used in the modeling were obtained through experimental studies. In the first part, Structural Topology Optimization was performed on models consisting of laminated plates at different angles based on the mass criterion, and three-point bending tests were conducted on the geometries obtained. In the second part, Modal Topology Optimization was carried out based on frequency and mass criteria, and experiments were conducted on the geometries obtained. The models obtained with different design parameters were adjusted to be suitable for machining.
Composite plates, consisting of laminated structures with different fiber angle orientations, were produced under a heat-controlled press using a mold. The geometries obtained through optimization of these plates were produced using machining methods.. The deformation energies of the samples obtained from the structural analysis were examined by conducting three-point bending tests. The natural frequencies and damping behaviors of the samples obtained from the modal analysis were experimentally examined.