Yapıştırıcı ile birleştirilmiş kompozit tek bindirme bağlantıların eğik darbe altında mekanik davranışlarının incelenmesi
Investigation of mechanical behaviour of adhesively bonded composite single-lap joints under oblique impact
Yazar: MİTHAT GÖKHAN ATAHAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KEMAL APALAK
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kompozit malzemeler sahip oldukları düşük ağırlık ve yüksek mukavemetten dolayı havacılık, uzay ve otomotiv başta olmak üzere birçok endüstriyel alanda kullanım imkanı bulmaktadır. Kompozit malzemelerin yaygın kullanımı bu malzemelerin birbirleriyle veya farklı türden malzemeler ile birleştirilmesi ihtiyacına yol açmıştır. Bu amaçla yapıştırıcı ile birleştirme yöntemi sağlamış olduğu birçok mekanik faydadan dolayı yaygın kullanım alanı bulmaktadır. Güvenli bağlantı tasarımları için yapıştırıcı ile birleştirilmiş bağlantıların mekanik davranışlarının fonksiyonel mekanik testler ile belirlenmesi gerekmektedir. Zaman ve maliyet unsurları mekanik testleri sınırlandırmaktadır. Lineer olmayan sonlu elemanlar analizi ele alınan malzemelerin statik ve dinamik yükler altında gerçek mekanik davranışlarını yeterince doğrulayabilen uygun bir matematik model ile yapı tasarımların makul doğrulukta dayanım analizleri gerçekleştirmeyi mümkün kılmaktadır. Tez çalışmasında yapıştırıcı ile birleştirilmiş cam fiber destekli tabakalı kompozit tek bindirme bağlantıların eğilme darbe yükü altında mekanik davranışları deneysel ve sayısal yöntemler yardımıyla incelenmiştir. Bağlantıların darbe davranışına darbe açısı (0°, 10°, 20°, 30°), fiber açısı (0°, 45°, 90°) ve bindirme boyu (b = 25, 40 mm) etkisi araştırılmıştır. Sayısal modelde yapışan malzemeler ile yapıştırıcı arayüzeylerinde kohezif bölge modeli, alt ve üst kohezif arayüzeyler arasındaki orta yapıştırıcı bölgesinde elastik-plastik malzeme modeli kullanılmıştır.
Tabakalı kompozit malzemelerin sayısal modelinde elastik ortotropik malzeme modeli, tabakalarda oluşabilecek muhtemel hasar Hashin hasar kriterleri ile tespit ve takip edilmiştir. Tabakalar arasına kohezif yüzey tanımlanmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlar arasında iyi bir uyum görülmüş olup incelenen parametrelerin bağlantının darbe davranışını ve hasar oluşum şeklini etkilediği belirlenmiştir. En büyük temas kuvveti eğilme dayanımı en yüksek 0° fiber açılı bağlantılarda, en düşük temas kuvveti ise eğilme dayanımı en düşük 90° fiber açılı bağlantılarda oluşmuştur. Darbe açısı artışı ile bağlantılarda oluşan deneysel ve sayısal en büyük temas kuvveti değeri azalırken, toplam temas süresi ise artmıştır. 25 ve 40 mm bindirme boyları için en büyük temas kuvveti ve toplam temas süreleri birbirine yakın gerçekleşirken bindirme boyu artışı ile artan eğilme direngenliğinden dolayı düşey yer değiştirme azalmıştır. Simetrik olmayan 45° fiber açılı bağlantı eğme darbe yükü etkisi ile ortaya çıkan düzlem içi dengelenmemiş kayma gerilmesi dağılımlarından dolayı ekseni etrafında dönmeye zorlanmıştır. Dengelenmemiş kayma gerilmesi dağılımı fiber-matris arayüzeyi ile üst kompozit-yapıştırıcı arayüzeylerinde kayma hasarına neden olmuştur. 0° fiber açılı bağlantılarda darbe enerjisi çoğunlukla yapıştırıcı hasarı ile karşılanmış, 90° fiber açılı bağlantılarda ise matris bölgesinde artan kayma gerilmeleri neticesinde kompozit yapışan bindirme boyu serbest kenarlarından hasara uğramıştır. Yapıştırıcı hasarı bütün bağlantılarda üst kompozit yapışan ile yapıştırıcı arayüzeyinde gerçekleşmiştir. Darbe testi sonrası yapıştırıcı hasar bölgelerinin mikroskop görüntüleri yardımıyla hasar başlangıç ve ilerlemesi değerlendirilmiştir.

Abstract:
Composite materials are used in many industrial areas such as aviation, space and automotive because of their low weight and high strength. The widespread use of composite materials has led to the need to be combined with each other or with different types of materials. To that end, the adhesive joint is a commonly used technique for its many mechanical benefits. The behaviour of adhesive joints needs to be determined for safe joint designs with functional mechanical tests. Time and cost limit mechanical tests. With an appropriate mathematical model that verifies the real mechanical behaviours under static and dynamic loads, Non-linear finite element analysis enables the strength analysis of structural designs with reasonable accuracy. In the thesis study, the mechanical behaviours of the glass-fiber reinforced laminated composite adhesively bonded single-lap joints under bending impact load were experimentally and numerically investigated. The effects of impact angle (0°,10°, 20°, 30°), fiber angle (0°, 45°, 90°) and overlap length (b = 25, 40 mm) on the impact behaviour were studied. In the numerical model, the cohesive zone model was used in the interfaces between the adherend and adhesive and the elastic-plastic material model was used in the middle adhesive region between top and bottom cohesive interfaces. The elastic orthotropic material model was used in the numerical model of the laminated composite materials and the possible damage on the layers was determined with Hashin damage criteria. The cohesive surface is defined between the layers. It was determined that there was consistency between experimental and numerical results and, that the parameters were affecting the impact behaviour and the damage pattern of the joint. The peak contact force occurred at the joints with 0° fiber angle which had the highest bending strength and the lowest contact force occurred at the joints with 90° fiber angle which had the lowest bending strength. While the peak experimental and numerical contact force value decreased with impact angle increase, the total contact time increased. The vertical deflection decreased for 25 and 40 mm lap lengths due to the bending strength with lap length increase while the peak contact force and total contact times were close to each other. The non-symmetrical 45° fiber angle joint was forced to rotate around its axis due to the in-plane unbalanced shear stress distributions caused by the bending impact load effect. The unbalanced in-plane shear stress distribution caused shear damage on the interfaces of fiber-matrix and composite-adhesive. In the joints with 0° fiber
angle, the impact energy was mostly met with adhesive damage and in the joints with 90° fiber angle, the free edges of overlap were damaged as a result of increasing shear stress which occurred in the matrix. The adhesive damage occurred on the interface of the upper composite adherend and the adhesive for all joints. After the impact test, the initiation and propagation of the damage were evaluated with the microscope images of the adhesive damage areas.