Grafen takviyesinin düşük hızlı darbe hasarlı ve hasarsız bazalt elyaf takviyeli kompozit basınçlı kapların yorulma davranışlarına etkisi
The effects of graphene reinforcement on the fatigue behaviors of low velocity impacted and non-impacted basalt fiber reinforced composite pressure vessels
Yazar: HARUN SEPET
Danışman: PROF. DR. NECMETTİN TARAKÇIOĞLU
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, ağırlıkça %0.25 grafen takviyeli ve takviyesiz [±55°]4 konfigürasyonunda filaman sarma bazalt/epoksi kompozit basınçlı kapların yorulma davranışları, bazalt/epoksi kompozit borular üzerinden kapalı-uçlu koşullar altında modellenerek araştırılmıştır. Boruların yorulma testleri, kapalı-uçlu değişken iç basınç test koşulları altında ASTM D2992-18 standardına göre, 25 çevrim/dk (0. 42 Hz) ve 0.05 gerilme oranında (R) gerçekleştirilmiştir. Yorulma testleri, borularda ilk hasar olan terleme şeklinde sızıntı hasarının ortaya çıktığı maksimum teğetsel gerilmenin (σt_max) %30, %35, %40, %50 ve %60 oranlarında yapılmıştır. Yorulma testleri sırasında ortaya çıkan hasarlar gözlemlenerek hasar türü ve oluşum sıraları tespit edilmiştir. Bu hasarlar; terleme (hafif ilk sızıntı), sızma (yüzeye yayılmış yoğun sızıntı) ve ani patlama (tabaka ayrılması ve elyaf kopması) olarak sıra ile ortaya çıkmıştır. Hasar türüne göre, hasarın oluştuğu çevrim sayıları ve yorulma yükleme oranları kullanılarak yorulma eğrileri çizilmiştir.
Filaman sarma kompozit basınçlı kaplar; uzay, havacılık, savunma ve otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Riskli ve kritik görevlerde hizmet veren kompozit basınçlı kaplar, servis koşulları altında düşük hızlı darbelere maruz kalabilirler. Darbe sonrası elyaf, matris ve/veya tabakalar arasında oluşan hasarlar, kompozit basınçlı kapların yorulma ömründe düşüşe neden olabilir. Düşük hızlı darbe hasarının yorulma ömrü üzerindeki etkisinin incelenmesi amacıyla, kapalı-uçlu 50 bar iç basınç altında 2.5, 5, 7.5, 10, 15, 20 ve 25 J darbe hasarlı bazalt/epoksi ve grafen/bazalt/epoksi boruların %30σt_max yükleme oranında yorulma ömründeki değişimler belirlenmiştir. Düşük hızlı darbe sırasında boruların dinamik davranışları, oluşan darbe hasarları ve yorulma sonrası oluşan hasarlar incelenmiştir. Daha sonra, hasarlı boruları elde etmek için gerekli olan darbe enerji büyüklüğü, darbe sonrası kalan ömür çevrimleri dikkate alınarak 5 J seçilmiştir. Kapalı-uçlu iç basınç altında 5 J değerinde düşük hızlı darbe hasarlı bazalt/epoksi ve grafen/bazalt/epoksi boruların yorulma ömürleri, hasarsız borular ile karşılaştırılmıştır.
Sonuç olarak, düşük hızlı darbe hasarlı ve hasarsız bazalt/epoksi ve grafen/bazalt/epoksi filaman sarma boruların kapalı-uçlu değişken iç basınç test koşulları altında yorulma davranışları tespit edilerek yorumlanmıştır.

Abstract:
In this study, the fatigue behavior of filament winding basalt/epoxy composite pressure vessels with 0.25% graphene nanoplatelets (GnPs) reinforced and non-reinforced [±55°]4 configuration was investigated by modeling under close-ended conditions over basalt/epoxy composite pipes. The fatigue tests of the samples were performed at 25 cycles/min (0.42 Hz) and 0.05 stress ratio (R) under close-ended internal pressure experimental conditions according to ASTM D 2992-18. Fatigue tests were performed at loading rates of 30%, 35%, 40%, 50%, and 60% of the maximum tangential stress (σt_max) where leakage damage occurred in the form of sweating in the composite pressure vessels. The order and formation of the damage was determined by observing damages generated during fatigue tests. These damages resulted in sweating (slight initial leakage), leakage (intense leakage on the surface) and burst (layer separation and fiber fracture). The fatigue curves were drawn by using fatigue loading rates and failure cycles according to the type of the damage.
Filament winding composite pressure vessels are widely used in space, aerospace, defense and automotive industries. Composite pressure vessels serving risky and critical tasks can be subjected to low-velocity impacts under service conditions. Damages generated in the fiber, matrix, and/or between layers after impact can lead to a decrease in the fatigue life of composite pressure vessel. In order to investigate the effect of low velocity impact damage on fatigue life, the changes in fatigue life by using loading rate of 30%σt_max were determined the basalt/epoxy and GnPs/basalt/epoxy composite pressure vessels damaged by 2.5, 5, 7.5, 10, 15, 20 and 25 J impact energies under 50 bar internal pressure. The dynamic behavior of the composite pressure vessels during the low velocity, impact and fatigue damages were examined. Then, impact value of 5 J was selected considering remaining life cycles and formation of the damages in the samples after the impact. The fatigue life of basalt/epoxy and GnPs/basalt/epoxy composite pressure vessels with low velocity impact damage of 5 J under close-ended internal pressure were compared with their undamaged.
In conclusion, the fatigue behavior of low velocity impact damaged and undamaged basalt/epoxy and GnPs/basalt/epoxy filament wound composite pressure vessels under close-ended internal pressure conditions were determined and discussed.