Hibrit yapıştırma bağlantısı viskoelastik davranışının teorik ve nümerik olarak incelenmesi
Theoretical and numerical investigation of viscoelastic behavior of hybrid adhesive joints
Yazar: MUSTAFA ÇAY
Danışman: PROF. DR. HALİL ÖZER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kayma gerilmesi = Shear stress

Özet:
Tek bindirmeli yapıştırma bağlantıları havacılık, uzay ve otomotiv gibi pek çok sektörde sıklıkla kullanılan bağlantı tipleridir. Özellikle gövde tamiri gibi proseslerde kullanılan ve klasik bağlantı teknolojilerine alternatif önemli bağlantı seçeneklerindendir. Bindirme bölgesinde tek bir yapıştırıcının kullanıldığı mono yapıştırıcılı tek bindirmeli bağlantıları elastik ve viskoelastik olarak inceleyen literatür çalışmaları mevcuttur. Fakat bindirme bölgesinde hem rijit hem de esnek yapıştırıcının birlikte kullanıldığı hibrit yapıştırıcılı tek bindirmeli bağlantılara yönelik sınırlı sayıda ve sadece elastik bölgede incelenmiş literatür çalışmaları bulunmaktadır. Bu çalışmada da tek bindirmeli hibrit yapıştırma bağlantısının viskoleastik olarak incelenmesi ve bu sayede litereatürdeki boşluğun doldurulması ana motivasyon kaynağı olmuştur.
Çalışmanın teorik kısmında, tek bindirmeli hibrit yapıştırma bağlantısnın viskoelastik davranışını modelleyebilmek için iki farklı yöntem üzerinde durulmuştur. Birinci kısımda, yapıştırıcı bağlantılarında meydana gelen gerilmelerle ilgili ilk çalışmalardan biri olan Volkersen'in basit kayma modeli temel alınarak tek bindirmeli hibrit yapıştırma bağlantısı için analitik olarak eşitlikler türetilmiştir. Teorik çalışmaların ikinci kısmında ise kayma gerilmesinin yanı sıra bağlantıda meydana gelen soyulma gerilmeleri de hesaba katılmıştır. Bu yöntemle hibrit bağlantılarda viskoelastik olarak hem kayma hem de soyulma gerilme/zorlanmaları tahmin edilmektedir. Teorik çalışmalarda gerilme ve zorlanmaların Laplace alanında elde edilen genel diferansiyel denklemleri, nümerik metotlar kullanılarak zaman alanına taşınmıştır. Analitik yöntemlerden elde edilen çıktılar sonlu elemanlar metodu ile karşılaştırılmıştır.
Sadece kayma gerilmelerini baz alan analitik hibrit yapıştırma modeli nümerik model ile oldukça uyumlu sonuçlar vermiştir. Hibrit yapıştırmalı modellerin mono modellere göre bindirme uç kısımlarında kayma gerilmelerini anlamlı şekilde azalttığı ve viskoelastik etkilerin hibrit oranının optimize edilmesinde önemli rol oynadığı görülmüştür.
İkinci kısımda geliştirilen analitik model ise hibrit bağlantıların hem kayma hem de soyulma gerilmelerinin viskoelastik olarak değişimini tahmin etmektedir. Hibrit bağlantıların mono bağlantılara göre bindirme uçlarında hem kayma hem de soyulma gerilmelerini önemli miktarda azalttığı görülmüştür. Hibrit bağlantılar için yapıştırma ara yüzeylerinde gerilmelerin optimizasyonu için hibrit oranının önemli bir parametre olduğu görülmüştür.
Hibrit modeler için geliştirilen tüm analitik modellerde, bağlantıda kullanılan esnek yapıştırıcı miktarının viskoelastik etkileri önemli ölçüde belirlediği görülmüştür. Hibrit bağlantılarda az miktarda rijit yapıştırıcı kullanılmasının bile bağlantının rijitliğini önemli ölçüde arttırdığı sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Adhesively bonded single-lap joints are frequently used in many industries such as aviation, space and automotive. It is an important alternative method of conventional technologies, especially used in processes such as body repair. There are literature studies examining mono-adhesive single-lap joints as elastic and viscoelastic, in which a single adhesive is used in the overlap. However, there are limited literature studies only in the elastic region for single-lap joints with hybrid adhesive, in which both rigid and flexible adhesives are used together in the overlap. Main motivation of this study is to investigate the viscoelastic effects of the hybrid adhesively bonded single-lap joints and filling the gap in the literature.
In the theoretical part of the study, two different methods are focused for modelling the viscoelastic behavior of a hybrid adhesively bonded single-lap joint. In the first part, based on Volkersen's simple shear model, which is one of the first studies on shear stresses occurring in the adhesively bonded joints, analytical equations are derived for a hybrid adhesively bonded single-lap joint. In the second part of the theoretical studies, the peel stresses occurred in the joint are also taken into account in addition to the shear stresses. Hence, both viscoelastic shear and peel stresses/strains are estimated for hybrid joints. In theoretical studies, general differential equations of stress and strain are obtained in the Laplace domain and have been transferred to the time domain by using numerical methods. Analytical results are compared with the finite element method.
The first analytical hybrid bonding model based on pure shear is in a good aggrement with the numerical model. It has been observed that the hybrid models significantly reduce the shear stresses at the ends of the overlap when compared to the mono models, and the viscoelastic effects play an important role for optimizing the hybrid ratio.
The analytical model developed in the second part predicts the viscoelastic effects of both shear and peel stresses of hybrid joints. It has been observed that the hybrid models significantly reduce both the shear and peel stresses at the ends of the overlap when compared to the mono models. It is concluded that the hybrid ratio is an important parameter for the optimization of stresses at the adhesive contact interfaces of hybrid models. 
In all analytical models developed for hybrid joints, it is observed that the amount of flexible adhesive used in the overlap significantly determines the viscoelastic effects. It is concluded that even if a small amount of rigid adhesive is used in the overlap, the rigidity of the joint increases significantly.