Farklı çekirdek konfigürasyonuna sahip sandviç yapıların tasarımı, üretimi ve mekanik özelliklerinin araştırılması
Design, production and investigation of mechanical properties of sandwich structures having different core configurations
Yazar: ERMAN ZURNACI
Danışman: PROF. DR. HASAN GÖKKAYA
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sandviç paneller, gelişmiş mekanik özellikleri, yüksek enerji sönümleme kapasiteleri ve sahip oldukları düşük ağırlıktan dolayı savunma, havacılık, taşımacılık ve uzay endüstrisi gibi çeşitli sektörlerdeki araçların üretiminde yapısal bileşen olarak kullanılmaktadır. Yüzey plaka ve çekirdekten oluşan sandviç panellerin mekanik performansı, çekirdek tasarımından etkilenmektedir. Sandviç panel çekirdekleri; oluklu, köpük, bal peteği ve kafes olmak üzere farklı yapılarda üretilmektedir. Bu çalışmada; oluklu çekirdek yapısına sahip metalik sandviç panellerin çekirdek tasarımının, sandviç panelin mekanik performansı ve deformasyon davranışı üzerindeki etkisi sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Oluklu tek parça çekirdek konfigürasyonu ve oluklu dilim çekirdek konfigürasyonu olmak üzere iki farklı çekirdek konfigürasyonu kullanılmıştır. Oluklu yapıdaki trapezoid geometriye sahip çekirdekler sac metal kalıpçılık tekniği kullanılarak üretilmiştir. Üretimi gerçekleştirilen çekirdekler, aynı malzemeden hazırlanan yüzey plakaları ile epoksi yapıştırıcı kullanılarak birleştirilmiş ve sandviç panel numuneleri hazırlanmıştır. Sandviç panel numuneleri, düzlemsel basma (2 mm/dk), üç nokta eğme (1 mm/dk) ve düşük hızlı darbe kuvveti altında deneysel olarak test edilmiştir.  Düşük hızlı darbe testleri, farklı vurucu uç geometrileri (yarı küresel, konik ve düz) kullanılarak farklı darbe enerji değerlerinin (20 J, 40 J, 60 J) etkisi altında gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerin sonucunda, farklı çekirdek konfigürasyonuna sahip sandviç panellerin mekanik performansı belirlenmiş ve deformasyon davranışları incelenmiştir. 

Deneysel test sonuçları değerlendirildiğinde; oluklu dilim çekirdek konfigürasyonu, sandviç panellerin ortalama ağırlığını %7,77 oranında arttırırken, düzlemsel basma yükünün etkisi altındaki darbe enerjisi sönümleme kapasitesini %53,6 oranında arttırmıştır. Oluklu dilim çekirdek konfigürasyonu, ortalama ezilme kuvvetini %53,7 oranında, özgül enerji emilimini ise %42,5 oranında arttırmıştır. Oluklu dilim çekirdek konfigürasyonu, üç nokta eğme kuvvetinin etkisi altındaki panellerin ortalama ağırlığını %3,19 oranında arttırırken, enerji sönümleme kapasitesini ise %40,5 oranında arttırmıştır. Oluklu dilim çekirdek konfigürasyonu, panellerin eğilme dayanımını %117,73 oranında, özgül eğilme dayanımını %111,90 oranında arttırmıştır. Düşük hızlı darbe deneylerinin sonucunda, en düşük darbe enerjisi değerinde (20 J); en yüksek enerji sönümleme kapasitesi (20,36 J) yarı küresel vurucu uç geometrisi ile test edilen oluklu tek parça çekirdek konfigürasyonuna sahip sandviç panel numunesinde, en düşük enerji sönümleme kapasitesi ise (19,92 J) konik vurucu uç geometrisi ile test edilen oluklu dilim çekirdek konfigürasyonuna sahip sandviç panel numunesinde elde edilmiştir. En yüksek darbe enerjisi değerinde (60 J) ise, en yüksek enerji sönümleme kapasitesi (57,67 J) konik vurucu uç geometrisi ile test edilen oluklu dilim çekirdek konfigürasyonuna sahip sandviç panel numunesinde, en düşük enerji sönümleme kapasitesi (36,40 J) düz vurucu uç geometrisi ile test edilen oluklu tek parça çekirdek konfigürasyonuna sahip sandviç panel numunesinde elde edilmiştir. Sandviç panellerin deformasyon süreci değerlendirildiğinde, oluklu dilim çekirdek konfigürasyonunun sandviç panellerin kontrollü deformasyonuna katkı sağladığı, panel deformasyonunu geciktirdiği ve sandviç panel çekirdeklerinde meydana gelen yer değiştirmeyi azalttığı tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen sayısal analizler sonucunda, oluklu dilim çekirdek konfigürasyonunun sandviç panelde oluşan gerilmeleri daha etkin biçimde dağıttığı belirlenmiştir.

Abstract:
Sandwich panels are used as structural components in the production of vehicles in various sectors such as defence, aviation, transportation and aerospace industry due to their improved mechanical properties, high energy absorbing capacities and low weight. The mechanical performance of sandwich panels consisting of surface plates and core is influenced by the core design. Sandwich panel cores are produced in different structures such as corrugated, foam, honeycomb and lattice truss. In this study; the effect of the core design of the metallic sandwich panels having a corrugated core structure on the mechanical performance and deformation behaviour of the sandwich panel was investigated experimentally and numerically. Two different core configurations were used, the corrugated monolithic core and the corrugated sliced core configuration. Cores with corrugated trapezoidal geometry were produced using the sheet metal molding technique. The produced cores were bonded with surface plates prepared from the same material using epoxy adhesive and sandwich panel samples were prepared. Sandwich panel samples were experimentally tested under planar compression (2 mm/min), three-point bending (1 mm/min) and low-speed impact load. Low-speed impact tests were performed under the influence of different impact energy values (20 J, 40 J, 60 J) using different impactor geometries (hemispherical, conical and flat). As a result of the experiments, the mechanical performance of the sandwich panels having different core configurations was determined and their deformation behavior was investigated. 

When the experimental test results were evaluated, the corrugated sliced core configuration was increased the average weight of the sandwich panels by 7.77%, while the impact energy absorbing capacity under the influence of the planar compression load increased by 53.6%. Corrugated sliced core configuration increased the mean crushing force by 53.7% and specific energy absorption capasity by 42.5%. The corrugated sliced core configuration was increased the average weight of the panels by 3.19%, while the energy absorbing capacity under the influence of three-point bending load increased the by 40.5%. The corrugated sliced core configuration was increased the bending strength of the panels by 117.73% and the specific bending strength by 111.90%. As a result of low-speed impact tests; the highest impact energy absorbing capacity (20,36 J) in the sandwich panel sample having corrugated monolithic core configuration tested with the hemispherical impactor geometry, while the lowest impact energy absorbing capacity (19,92 J) in the sandwich panel sample having corrugated sliced core configuration tested with the conical impactor geometry was obtained in the lowest impact energy value (20 J). At the highest impact energy value (60 J), the highest energy absorbing capacity (57.67 J) was obtained from sandwich panel samples having a corrugated sliced core configuration tested with conical impactor geometry; and the lowest energy absorbing capacity (36.40 J) was obtained from sandwich panel samples having a corrugated monolithic core configuration tested with flat impactor geometry. When the deformation process of the sandwich panels was evaluated, it was found that the corrugated sliced core configuration contributed to the controlled deformation of the sandwich panels, delayed the panel deformation and reduced the displacement of the sandwich panel cores. As a result of the numerical analysis, it was determined that the corrugated slice core configuration distributes the stresses in the sandwich panel more effectively.