S-cam/epoksi tabakalı kompozitlerin farklı sıcaklıklar ve deformasyon hızlarındaki statik ve kırılma davranışlarının belirlenmesi
Determination of static and fracture behavior of S-cam / epoxy laminated composites at different temperatures and deformation speeds
Yazar: ZAFER KAYA
Danışman: PROF. DR. HALİT GÜN
Uşak Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
S cam fiberler, günümüzde denizcilikten, havacılığa, enerji sektöründen taşımacılık sektörüne kadar yüksek dayanım gerektiren kompozit uygulamalarında takviye elemanı olarak kullanılabilirler. Bu kompozitler kullanım alanı bakımından bazen bir soğuk hava deposunda yada soğuk iklim bölgelerinde rüzgargülü kanadında kullanılabileceği gibi bazen de bir yapı içerisinde reçinenin camsı dönüşüm sıcaklığına yakın sıcaklıklarda bir kaplama malzemesi yada bir gereç olarak sıcak ortamlarda da hizmet verebilmektedir. Bu yapılar değişken sıcaklıktaki ortam koşullarıyla birlikte üzerlerine gelebilecek muhtemel yüklemelere de maruz kalabilmektedir. Bununla birlikte, özellikle imalatları veya montajları esnasında, bu kompozit yapılar üzerinde oluşturulan delik, kanal veya yarık gibi servis ömürlerini azaltıcı etkenler de bu malzemeleri etkiler. Bu nedenle; S cam takviyeli kompozit yapıların, farklı sıcaklık ve deformasyon şartlarında, mekanik davranışlarının yanında kırılma davranışlarının da bilinmesi önemlidir.
Bu davranışların anlaşılabilmesi için gerçekleştirilen çalışmada S cam kumaş, epoksi reçine ve sertleştirme ajanı ile bir araya getirilerek kompozit plakalar üretilmiştir. Plakalardan elde edilen deney numuneleri tabakaların üretim yönlendirmesine bağlı olarak (x ekseni, y ekseni ve 45 derece açılı) statik testlere tabi tutulmuştur. Statik testler ortam sıcaklığı değişkenliğini gözlemek amacıyla dört sıcaklık altında (-20°C, 0°C, 20°C, 80°C) gerçekleştirilmiştir. Değişken yükleme şartları ise bu sıcaklıklar altında üç deformasyon hızında (0,5mm/dk, 5mm/dk, 50mm/dk) yapılan testler yardımıyla araştırılmıştır. Deformasyon hızının artmasıyla genelde tabakanın her iki ekseni yönünde de mekanik özellikler artmıştır. Bu artış, çekme dayanımında %22,15 basma dayanımında %26,53 seviyelerine kadar çıkmıştır.  S cam/epoksi tabakalı kompozit yapı statik testler altında sıcaklık değişimlerine karşı da hassasiyet gösteren davranışlar sergilemiştir. Soğuk ortamda dayanıklı yapıya sahip kompozit, sıcaklık artışıyla birlikte bu dayanım özelliklerini kaybetmiştir. Sıcaklık artışıyla %21,09 oranında elastisite modülü, %30,37 oranında çekme dayanımı ve %31,69 oranında basma dayanımı azalmıştır. Bütün deney koşullarından elde edilen sonuçlar, Ansys sonlu elemanlar programında malzeme verisi olarak girilerek kırılma testlerinin deney koşullarının simule edilebileceği 12 adet malzeme kütüphanesini oluşturmuştur. 
S cam/epoksi tabakalı kompozit yapıyı tanımlamak için yapılan yakma testi neticesinde tabakalar içerisindeki kompozit üretimini olumsuz etkileyen yapıların az olduğu ve kompozit üretiminin oldukça başarılı olduğu bulunmuştur. S cam/epoksi tabakalı kompozit yapının viskoelastik davranışlarını incelemek maksadıyla dinamik mekanik analiz (DMA) testleriyle de incelenmiştir. TGA testi ile kompozit yapıda fiber kütle korunumunun sıcaklığa bağlı değişimi incelenerek saf fiberin kaldığı sıcaklık tespit edilmiştir. 
S cam/epoksi tabakalı kompozit yapının kırılma mekaniği davranışları da ortam sıcaklığı ve çekme hızına bağlı olarak incelenmiştir. Kırılma, Mod I ve Mod I/II durumları için değerlendirilmiştir. Kırılma testleri, statik testlerde olduğu gibi -20°C, 0°C, 20°C ve 80°C sıcaklıklar altında, 0,5mm/dk, 5mm/dk ve 50mm/dk olmak üç çekme hızında yapılmıştır. Aynı zamanda 5mm, 10mm ve 15mm çatlak uzunluğuna sahip tek kenardan çentikli deney numuneleri kullanılmıştır. Testler sonucunda kırılma tokluğu ve gerilim enerjisi serbest bırakma oranları hesaplanmıştır. Deneysel olarak elde edilen kırılma tokluğu ve gerilim enerjisi serbest bırakma oranları Ansys sonlu elemanlar programından elde edilen tokluk ve J integral değerleriyle karşılaştırılmıştır. Kırılma tokluğu çalışmaları üç aşamalı olarak gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada sabit çatlak uzunluğu altında sıcaklık değişiminin çekme hızına bağlı olarak tokluk ve gerilim enerjisi serbest bırakma oranı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, sabit sıcaklık altında çatlak uzunluğundaki değişimin çekme hızına bağlı olarak kırılma tokluğu ve gerilim enerjisi serbest bırakma oranı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Kırılma mekaniği çalışmalarının üçüncü aşamasında aralarında %50 fark bulunan iki çatlak uzunluğu ve en soğuk (-20°C) ve en sıcak (80°C) ortam koşullarında çekme hızına bağlı tokluk ve enerji değişimi incelenmiştir. Genel olarak hem tokluk değeri hem de enerji değeri incelendiğinde, çatlak uzunluğundaki değişimin sıcaklıktaki değişimden daha etkili olduğu sonucuyla karşılaşılmıştır. 
Günümüz dünyasında özellikle bilgisayar teknolojilerindeki gelişmeler yapay zeka ve makine öğrenmesi gibi kavramları da hayatımıza sokmuştur. Bu kavramlar, öğrenebilen programlar ile öğrendikleri bilgilerle, benzer fakat olmamış durumlarla ilgili yakın tahminlerin yapılabilmesine olanak sağlamaktadır. Bu bağlamada yapılan tez çalışmasında S cam/epoksi tabakalı kompozit yapının kırılma davranışları makine öğrenmesi yaklaşımıyla da değerlendirilmiştir. Deneysel olarak elde edilen bütün kırılma tokluğu verileri Decision Trees (DT), Random Forest (RF), Support Vector Machine (SVM), Artificial Neural Network (ANN) olmak üzere dört makine öğrenmesi algoritmasına öğretilmiştir. Bu algoritmaların öğrenme başarıları elde edilmiştir. Bir sonraki aşamada üzerinde çalışılan bu algoritmalardan deneyi yapılmamış çatlak uzunlukları için tokluk değeri tahminleri elde edilmiştir. Makine öğrenmesi çalışması da tezin son bölümünü oluşturmuş ve çalışma sonuçlandırılmıştır.

Abstract:
Currently, structures containing S glass can be used as reinforcing elements in composite applications that require high strength, from marine, aviation, energy sector to transportation sector. These composites can sometimes be used in a cold storage or a wind power plant wing in cold climate regions. Sometimes, they can serve as a coating material or a tool in warm environments at temperatures close to the glassy transition temperature in a stracture. These structures can be exposed to different loading conditions that are likely to come over them together with the variable temperature ambient conditions. However, structures such as holes, channels or slits are formed on these materials, especially during their manufacture or assembly. These structures are the factors that shorten the service life of the material. Therefore, it is important to know the fracture behavior of S glass reinforced composite structures as well as their mechanical behavior under different temperature and deformation conditions. In order to understand these behaviors, composite plates were obtained by combining S glass fabric consisting with epoxy resin and curing agent. 
Experimental samples obtained from the plates were subjected to static tests depending on the production orientation of the laminates (x axis, y axis and 45 degree angle). Static tests were performed under four temperatures (-20°C, 0°C, 20°C, 80°C) to observe ambient temperature variability. Variable loading conditions were investigated with the help of tests performed at three deformation speeds (0,5 mm/min, 5mm/min, 50mm/min) under these temperatures. Mechanical properties have increased in both axes of the sheet with the increase of the deformation rate. This increased to 22,15% in tensile strength and 26,53% in compression strength. S glass/epoxy laminated composites have displayed behaviors that are sensitive to temperature changes with static tests. The composite structure, which has durable structure in cold conditions, lost these strength properties with the increase in temperature. With the increase in temperature, the modulus of elasticity by 21,09%, tensile strength by 30,37% and compressive strength by 31,69% decreased. The results obtained as a result of all experimental conditions were entered as material data in the ANSYS finite element program and formed 12 material libraries that simulated the experimental conditions of fracture tests.
As a result of the burning test performed to define the S glass/epoxy laminated composite structure, it was found that the structures that negative affect in the  the composite production  are less and the composite production is quite successful. In order to examine the viscoelastic behavior of the S glass/epoxy laminated composite structure, it was also examined by dynamic mechanical analysis (DMA) tests. By examining the temperature-dependent change of fiber mass conservation in the composite structure with the TGA test, the temperature at which the pure fiber remains was determined. 
The fracture mechanics behavior of S glass/epoxy laminated composite structure was also investigated depending on the ambient temperature and drawing speed. Fractudre has been evaluated for Mode I and Mode I/II conditions. Fracture mechanics behavior was also performed at three drawing speeds of 0,5mm/min, 5mm/min and 50mm/min under temperatures of -20°C, 0°C, 20°C and 80°C, as in static tests. In fracture mechanics tests, single edge notched experimental samples with 5mm, 10mm and 15mm crack lengths were used. As a result of the tests, fracture toughness and strain energy release rates were calculated. The fracture toughness and strain energy release rate obtained experimentally were compared with the toughness and J integral values obtained from the ANSYS finite element program. Fracture toughness studies were carried out in three stages. In the first stage, the effect of temperature change under constant crack length on toughness and strain energy release rate depending on drawing speed was studied. In the second stage of the study, the effect of change in crack length under constant temperature on fracture toughness and strain energy release rate depending on the drawing speed was investigated. In the third stage of the fracture mechanics studies, two crack lengths with 50% difference between them and the change in toughness and energy due to the drawing speed in the coldest (-20°C) and the hottest (80°C) environment conditions were investigated. In general, when both the toughness value and the energy value were examined, it was found that the change in crack length was more effective than the change in temperature. 
In today's world, especially advances in computer technologies have introduced concepts such as artificial intelligence and machine learning into our lives. These concepts allow you to make close predictions about similar but not happened situations yet with the information they learn with programs that can learn. In the thesis study in this context, the fracture behavior of the S glass/epoxy laminated composite structure was also evaluated with the machine learning approach. Experimentally obtained fracture toughness data were taught to four machine learning algorithms, namely Decision Trees (DT), Random Forest (RF), Support Vector Machine (SVM), Artificial Neural Network (ANN). Learning successes of these algorithms have been obtained. Next stage, the toughness value estimates were obtained for the crack lengths that were not tested by these four algorithms and in both fracture modes. The machine learning study also formed the last part of the thesis and the study was concluded.