Yapıştırıcı ile birleştirilmiş tek yönlü tabakalı kompozit tek bindirme bağlantılarında hasar oluşumu ve gelişimi
Initiation and propagation of damage in adhesively bonded unidirectional laminated composite single lap joints
Yazar: MUSTAFA  SERDAR GENÇ
Danışman: PROF.DR. MUSTAFA KEMAL APALAK ; Y.DOÇ.DR. ZEYNEP GÜL APALAK
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2005
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
III YAPIŞTIRICI İLE BİRLEŞTİRİLMİŞ TEK YÖNLÜ TABAKALI KOMPOZİT TEK BİNDİRME BAĞLANTILARINDA HASAR OLUŞUMU VE GELİŞİMİ ÖZET Uzay ve havacılık endüstrisinde, kompozit bağlantıların kullanımı son yıllarda hızla artmaktadır. Hafif ve yüksek mukavemetli olmaları birçok araştırmacının bu alana yönelmesine neden olmuştur. Yapıştırıcıyla birleştirilmiş yapısal bağlantıları verimli tasarlamak ve yapıştırıcıyla birleştirmenin avantajlarını kullanmak için bağlantının hasar mekanizmasını doğru modellemek gerekir. Doğru ve gerçeğe yakın hasar modeli ile bağlantının taşıyabileceği en büyük yüklerin tahmin edilmesi daha verimli bir bağlantı tasarımını ortaya çıkarır. Bu çalışmada, yapıştırıcı ile birleştirilmiş tek yönlü tabakalı kompozit tek bindirme bağlantılarının çekme ve eğme yükleri altında bindirme bölgesi civarında ilk hasar oluşumu ve bu hasarın gelişimi incelenmiştir. Kompozit bindirme bağlantılarının hasar mekanizmasını belirlemek maksadı ile çekme ve eğme deneyleri yapılmıştır. Deneysel sonuçlar teorik analizler ile karşılaştırılmıştır. Hasar analizinde, sürekli ortamlar mekaniğine dayanan meso-scale yaklaşımı ile bir hasar modeli geliştirilmiştir ve bu model Ansys paket programı ile sonlu elemanlar metoduna tatbik edilmiştir. Bağlantının hem geometrisinden hem de bileşenlerinden doğan malzeme lineersizlikleri dikkate alınmamıştır. Yapıştırıcı ve kompozit plakalar lineer elastik özelliklere sahip kabul edilmiştir. Hasar analizlerinde kompozit malzemelerin kırılma kriterlerinden Tsai-Wu ve Hashin kırılma kriterleri kullanılmıştır. Bu iki hasar kriteri ile 0, 15, 30, 45, 60 ve 90° lik lif açılarına sahip kompozit tek bindirme bağlantılarının çekme, üç nokta eğme ve dört nokta eğme testleri sonucunda plakaların yapıştırıcı serbest ucuna tekabül eden kısımlarında gerilme yığılmalarından dolayı ilk hasarın başladığı tahmin edildi. Bu kriterler ile hasarların çekme testinde alt plakada, eğme testlerinde ise üst plakada daha geniş bir bölgeye yayıldığı görüldü. Deneysel aşamada, tek bindirme bağlantısının tek yönlü karbon liflerden ve epoksi reçineden oluşan yapışanları Araldite 2015 epoksi yapıştırıcı ile yapıştırıldı. 0, 15, 30,IV 45, 60 ve 90° lik tek yönlü kompozit tek bindirme bağlantılarının çekme, üç ve dört nokta eğme testleri yapıldı. Çekme, üç ve dört nokta eğme testlerinde, çekmede 30, 45, 60 ve 90° lik tek yönlü kompozit tek bindirme bağlantıları alt plakadan koparken 0 ve 15° lik bağlantılar yapıştırıcıdan koptu. Üç nokta eğme testi, 0 ve 15° lik bağlantıların yapıştırıcıdan ve 30, 45, 60 ve 90° lik bağlantıların da üst plakadan koptuğunu gösterdi. Dört nokta eğme testinde ise 45, 60 ve 90° lik bağlantılar üst plakadan koparken 0, 15 ve 30° lik bağlantılar yapıştırıcıdan kopmuştur. Hasar analizinde, bağlantıların ilk hasarı tüm testlerde plakaların yapıştırıcı serbest uçları boyunca başladı ve teorik tahminlere bağlı olarak ya yapıştırıcı içinden ya da plaka içinden gelişti. Bununla birlikte, hasar analizinde malzeme özelliğini düşürme modelinde kompozit plakaların mekanik özelliklerinin aniden düşürülmesi ve yapıştırıcı ile kompozit plakaların lineer elastik kabul edilmesi nedeniyle teorikte tahmin edilen kopma yükleri test sonuçlarmdaki kopma yüklerinden düşük çıkmıştır. Anahtar kelimeler: Hasar Analizi, Tabakalı Kompozit Tek Bindirme Bağlantıları, Hasar Gelişimi, Kırılma Kriteri.

Abstract:
INITIATION AND PROPAGATION OF DAMAGE IN ADHESIVELY BONDED UNIDIRECTIONAL LAMINATED COMPOSITE SINGLE LAP JOINTS ABSTRACT The use of composite joints in aerospace and aviation industry has increased rapidly in recent years. Due to lightweight and high strength, it has attracted many researchers. In order to achieve well-designed joints and to utilize the advantages of adhesively bonded structural joints, the failure mechanism of the joint must be accurately modelled. The prediction of the ultimate load that the joint can sustain as a result of an accurate and realistic damage model makes more productive joint design. In this study, the first-ply failure and damage propagation around the overlap region of adhesively bonded unidirectional laminated composite lap joints under tension and flexural loads were investigated. The tension and bending testing of composite lap joints were carried out in order to determine the damage mechanism. The experimental results were compared with the theoretical results. In the damage analysis, a damage model was developed using the meso-scale approach based on the continuum mechanics and was implemented to the finite element method with Ansys packet program. Both geometrical and material non-linearities were not taken into account and the adhesive and the composite adherends were assumed to have linear elastic properties. In the damage analysis, Tsai-Wu and Hashin failure criteria were used. In both failure criteria, the first damage initiation was predicted along the adhesive free-edges of the adherends due to the stress concentrations based on the tension, three and four point bending tests of unidirectional laminated composite lap joints with stacking sequences of 0, 15, 30, 45, 60 and 90°. The damage zones were found to propagate in a wide region in lower adherend in tension and in upper adherend under a bending load. The adherends composed of unidirectional carbon fibers and epoxy resin of single lap joints were bonded using Araldite 2015 epoxy for experimental tests. The tension, three and four point bending tests of the unidirectional composite lap joints with the composite adherends having stacking sequences of 0, 15, 30, 45, 60 and 90° were performed. In the case of the tension, three and four point bending tests, theVI unidirectional composite single lap joints with stacking sequence of 0 and 15° failed through the adhesive layer whereas the joints having adherends with fiber angles of 30, 45, 60 and 90° failed through the lower adherend in tension. The three point bending test showed that the unidirectional single lap joints with adherends of 0 and 15° failed through the adhesive layer and those with adherends of 30, 45, 60 and 90° failed through upper adherend. In the four point bending test, the joints with adherends of 0, 15 and 30° failed through the adhesive layer whereas the joints with adherends of 45, 60 and 90° failed through the upper adherend. In the damage analysis, the first failure of the joints initiated along the adhesive free-edges of adherends in all tests and propagated through either adherends or adhesive layer based on the theoretical predictions. However, the failure loads based on the theoretical predictions were less than in those of the tests since the mechanical properties of composite adherends decreased all at once in degradation model in the damage analysis and the adhesive and the composite adherends were assumed to have linear elastic properties. Keywords: Damage Analysis, Laminated Composite Single Lap Joints, Damage propagation, Failure Criteria.