Hibrit kompozitlerde yapıştırma ve sonlu elemanlar analizi
Adhesive in hybrid composites and finite elementanalysis
Yazar: YASEMİN CERTAL
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
Teknolojinin gelişmesiyle beraber hafif ve yüksek dayanımlı malzemelerin kullanımı ve üretimi artmıştır. Özellikle metal ile beraber kullanılarak elde edilen hibrit yapılar daha çok tercih edilmektedir. Havacılık ve uzay sanayinde asıl amaçlardan birisi de üretilen hava araçlarının hafif olmasıdır. Mukavemet, esneklik, dayanıklılık, kararlılık, hafiflik; ısıya, sıcaklığa ve neme karşı direnç gibi üstün özellikleri nedeniyle havacılık kompozitleri dış uygulamalarda daha fazla tercih edilmektedir. Özellikle uçakların gövdeleri, stabilizatörler, kuyruklar, kanatlar, iniş takımları, ön ve arka kenarlar ile motor kaplamalarında kompozitler yaygın olarak kullanılmaktadır. Hava araçlarında kullanılan metallerin yerine hibrit yapıların kullanılması öngörülmektedir. Bu, bir çok yönden hava aracına fayda sağlamaktadır. 
Hibrit yapıları birleştirme tekniği olarak ise yapıştırıcı kullanılmıştır. Yapıştırıcı malzeme, yüzeyler arasında kimyasal bağlar yardımıyla bir birleştirici görevi görür. Bağın mukavemeti; yapıştırma prosesine ve yapıştırıcının yüzeyler ile olan uyumuna bağlıdır. İkincil olarak, yapıştırıcı malzeme mikroskobik olarak pürüzlü yüzeylerin girinti ve çıkıntılarına doğru viskoziteye bağlı bir akış gösterir. Yapıştırıcı bu yüzey pürüzlülüğünden destek alarak, mekanik olarak birbirine kenetlenir ve böylelikle yük aktarımına izin verir. Geleneksel birleştirme yöntemlerine göre yapıştırıcının çeşitli avantajları bulunmaktadır. Uçak üretiminde yapıştırma teknolojisinin uygulanması, hafif metal alaşımlarının, fiber takviyeli plastiklerin ve diğer bileşenlerin kullanımından dolayı son derece hafif bir tasarıma izin verir.  
Bu gelişmelere dayanarak çalışmada yapıştırıcı ile birleştirilmiş hibrit yapılar incelenmiştir. Çalışmada alüminyum, çelik ve titanyum olmak üzere üç farklı metal malzeme kullanılmıştır. Kompozit olarak ise pa 66 %35 cam elyaf takviyeli malzeme kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan metal ve kompozit malzemelere zımparalama,kumlama ve lazer desen  yüzey pürüzlendirme teknikleri uygulanmıştır. Sade yüzey koşulu ile beraber dört farklı yüzey koşulu için testler yapılmıştır.Ayrıca testler hava araçlarının maruz kalabileceği -40℃ ve +80℃ sıcaklıklarda ve oda sıcaklığında tekrarlanmıştır. Tüm bu parametreler dikkate alınarak hibrit bağlantının mukavemetinde karşılaştırmalar yapılmıştır. Tezin ikinci kısmında ise yapılan deneysel testlerin Abaqus sonlu elemnalar programında yapıştırıcılar için özel olan Kohezif Alan Modelleme(CZM) tekniği kullanarak bağlantının analizi yapılmıştır. Analizden elde edilen sonuçlar ie deneysel testler arasında karşılaştırma yapılmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir.

Abstract:
With the development of technology, the use and production of light and high-strength materials has increased. Especially, hybrid structures obtained by using metal together are more preferred.One of the main goals in the aviation and space industry is that the aircraft produced are light. Strength, flexibility, durability, stability, lightness; Aviation composites are more preferred in exterior applications due to their superior properties such as resistance to heat, temperature and humidity. Composites are widely used in aircraft fuselages, stabilizers, tails, wings, landing gear, leading and trailing edges and engine coatings. It is envisaged to use hybrid structures instead of metals used in aircraft. This benefits the aircraft in many ways. The application of bonding technology in aircraft manufacturing allows for an extremely lightweight design due to the use of light metal alloys, fiber-reinforced plastics and other components.
Adhesive was used as the joining technique of hybrid structures. The adhesive material acts as a binder between surfaces with the help of chemical bonds. The strength of the bond; It depends on the bonding process and the compatibility of the adhesive with the surfaces. Secondly, the adhesive material exhibits a viscosity-dependent flow towards the recesses and protrusions of microscopically rough surfaces. The adhesive is supported by this surface roughness and mechanically interlocks, thus allowing load transfer. Adhesive has several advantages over traditional bonding methods.
Based on these developments, hybrid structures combined with adhesive were investigated in the study. Three different metal materials, namely aluminum, steel and titanium, were used in the study. As a composite, pa 66 35% glass fiber reinforced material was used. Sandpapering, sandblasting and laser pattern surface roughening techniques were applied to the metal and composite materials used in the study. Tests were carried out for four different surface conditions together with the plain surface condition. In addition, the tests were repeated at -40°C and +80°C temperatures to which aircraft may be exposed, and at room temperature. Considering all these parameters, comparisons were made in the strength of the hybrid joint. In the second part of the thesis, the connection analysis was made using the Cohesive Field Modeling (CZM) technique, which is special for adhesives, in the Abaqus finite element program of the experimental tests. A comparison was made between the results obtained from the analysis and the experimental tests and the results were evaluated. 
On the results the shear strength and displacements are calculated for each configuration from measured loads. It is aimed to increase the surface roughness with different mechanical processes applied to the metal-composite joint surfaces.
For SS 304 ; By sandpapering the surfaces, the shear strength of the connection increased from 6.1 MPa to 11 MPa, increasing 80%, and by sandblasting the surfaces, the shear strength increased to 11.6 MPa, resulting in an increase of 90%. With the laser pattern processing of the surfaces, the shear strength increased to 14.7 Mpa, resulting in an increase of 141%. 

For Al 6061 ; By sanding the surface, the shear strength of the joint increased from 5 MPa to 7.2 MPa, increasing 44%, and by sandblasting the surfaces, the shear strength increased to 9,1 MPa, resulting in an increase of 82%. With the laser pattern processing of the surfaces, the shear strength increased to 10.1 Mpa, resulting in an increase of 102%. 
For Ti 64 ; By sanding the surfaces, the shear strength of the connection increased from 5,4 MPa to 8.2 MPa, increasing 52%, and by sandblasting the surface, the shear strength increased to 11,1 MPa, resulting in an increase of 105%. With the laser pattern processing of the surface, the shear strength increased to 12.2 Mpa, resulting in an increase of 126%. As a result of this test on the metal-composite joint surfaces, it was seen that increasing the roughness of all composite and metal surfaces improves the adhesion performance.
In the literature researches, it has been seen that increasing the surface area and the distance between the adhered surfaces will increase the strength by increasing the number of polymer bonds.

With the increase in the surface area obtained by sandpapering the surfaces, the bond with the highest shear strength is SS 304-PA 66. It increased the shear strength from 6.1 MPa to 11 MPa, resulting in 80% higher strength.                     
With the increase in the surface area obtained by sandblasting the surfaces, the bond with the highest shear strength is Ti 64-PA 66. It increased the shear strength from 5.4 MPa to 11.1 MPa, resulting in 105% higher strength.                       
With the increase in the surface area obtained by laser patterned the surfaces, the bond with the highest shear strength is Al 6061-PA 66. It increased the shear strength from 6.1 MPa to 14.7 MPa, resulting in 141% higher strength. 

A finite element model for adhesively bonded single lap joints is created to investigate the shear strength. The cohesive zone method is used to simulate the crack at the interface between adhesive and adherends. Cohesive zone modelling and finite element analyses are performed in ABAQUS. 

CZM results were higher than the experimental results for the three materials used. While the highest shear strength difference was in Al6061 with %20, the same shear strenght values were obtained for SS304 as in the test. As a result of the literature research, it is thought that this difference is due to the adhesive properties used in CZM, which is difficult to calculate.