Yüksek hızlı darbe etkisindeki kafes yapıların mekanik davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of mechanical behavior of lattice structures under high speed impact
Yazar: ATAKAN ERATA
Danışman: PROF. DR. GÖKHAN KÜÇÜKTÜRK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Metal kafes yapılar, yüksek özgül mukavemeti ve özelleştirilebilir mekanik karakteristikleri gibi üstün mekanik özellikleri ile dikkat çekerler. Havacılık, otomotiv ve biyomedikal sektörlerinde enerji absorpsiyon elemanları olarak kullanımının yaygınlaşacağı öngörülmektedir. Kafes yapılar, şok dalgalarının yayılımını istenilen gereksinimlere göre özelleştirme ve darbe enerjisini yüksek seviyede absorbe edebilme açısından ideal bir yapı sunar. Bu çalışma farklı kafes yapılarının enerji absorbe edebilme yeteneklerini araştırmayı amaçlamaktadır. Çalışma kapsamında sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak yüksek hızda çarpışma analizleri gerçekleştirilmiştir. Kafes yapılarının enerji absorbe edebilme yeteneklerini etkileyen parametreler araştırılmıştır. Bu çalışma içerisinde, her farklı kafes tipi için homojen ve kademeli kafes yapısı tasarlanmıştır. Kafes yapıları Ntopology programında tasarlanmıştır. Dört kafes tipi, Ntopology kütüphanesindeki birim hücre yapıları (BCC, Fluorite, Kelvin ve Truncated Octahedron) kullanılarak tasarlanmıştır. Son tip kafes yapısı ise bu çalışmaya özgün olarak Solidworks ve Ntopology programları kullanılarak özel olarak tasarlanmıştır. Analiz sonuçlarının doğru bir şekilde değerlendirilmesi için tüm kafes yapıları aynı bağıl yoğunluk ve dış boyutlara sahip olarak tasarlanmıştır. Tüm tasarımlar için aynı sınır koşulları altında Ansys'te explicit analizler gerçekleştirilmiştir. Malzeme olarak AlSi10Mg seçilmiş ve malzemenin yüksek hızdaki çarpışmalarında deformasyon hızına duyarlılığını hesaba katmak için Johnson-Cook malzeme modeli kullanılmıştır. Bu çalışmanın sonucunda, yüksek hızlı çarpışmaya uğrayan kafes yapılarının enerji absorbe edebilme yetenekleri ve çarpışma sonucunda oluşan kuvvet değerleri incelenmiştir. Aynı bağıl yoğunluk ve dış boyutlara sahip farklı tür kafes yapılarının yüksek hızlı çarpışmalarda farklı tepkiler ve farklı enerji absorpsiyon sonuçları verdikleri gözlemlenmiştir.

Abstract:
Metal lattice structures are notable for their superior mechanical properties, such as high functionality, specific strength, and customizable mechanical characteristics. Their use as energy absorbers is significant in the aerospace, automotive, and biomedical sectors. Lattice structures offer an ideal framework for customizing the propagation of shock waves and absorption of impact energy. This study aims to investigate the impact of different lattice structures on their energy absorption capabilities by conducting high-impact analyses using finite element software. Within this study, high-impact velocity was applied to lattice structures to examine their energy absorption capabilities. Additionally, parameters influencing the energy absorption capabilities of lattice structures were investigated. Within this study's scope, uniform and graded lattice structures were designed for each lattice type. The lattice structures were designed using the Ntopology software. Four lattice types were designed using existing unit cell structures (BCC, Fluorite, Kelvin Cell, and Truncated Octahedron) from the Ntopology library while a special lattice structure was designed using Solidworks and Ntopology. Explicit analyses were conducted in Ansys under the same boundary conditions for all designs. AlSi10Mg was selected as the material, and the Johnson-Cook material model was used to account for the material's sensitivity to deformation rate during high-speed collisions. As a result of this study, the energy absorption capabilities and the force values resulting from the collisions of lattice structures subjected to high-speed impacts were examined. It was observed that different types of lattice structures with the same relative density and external dimensions exhibited different responses and energy absorption results during high-impact loads.