Çatlak içeren tamirli kompozitlerin arcan test metodu ile kırılma karakterizasyonunun belirlenmesi
Determination of fracture characterization of repaired composites having crack by arcan test method
Yazar: HATİCE DURMUŞ
Danışman: PROF. DR. METE ONUR KAMAN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kırılma tokluğu = Fracture toughness ; Lif takviyeli polimerler = Fiber reinforced polymers ; Tamir =   ; Yama testi = Patch tests

Özet:
Karbon fiber takviyeli kompozitler günümüzde oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir. Hafiflik, sertlik ve güçlü mukavemet değerlerine sahip olmalarıyla uzay ve hava araçlarının imalatında ve onarımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kompozit malzemeler güçlü anizotropik yapıya sahip oldukları için karmaşık yapılardır. Günümüzde kompozit malzeme kullanımının hızla artmasıyla anizotropik yapıya sahip bu malzemelerdeki hasar mekanizmalarının öngörülebilmesi ve tamir edilmesi oldukça önem kazanmıştır. Bu hasarı tahmin etmedeki ana problem karışık mod yükleme koşulları altında kırılma tokluğunun belirlenmesidir. 
Fiber takviyeli kompozitler yalnızca fiber yönünde güçlü dayanıma sahiptir. Bu nedenle karışık modda tabakalar arası delaminasyon hasarının incelenmesi kırılma tokluğunun belirlenmesi açısından önemlidir. Karışık mod yükleme koşullarının sağlanması için literatürde birçok test yöntemi kullanılmıştır. Arcan test metodu bunlardan biridir ve numuneye aynı anda çekme ve kayma gerilmelerini uygulayarak iki eksenli gerilme durumuna olanak sağlar. Gereksiz fikstür ve pahalı ekipman ihtiyacını ortadan kaldıran ekonomik ve pratik bir yöntemdir.
Bu çalışmada çatlak içeren kompozit numunelere tek taraflı kompozit yama yapılarak çekme cihazına uygun tasarlanılan ve imal edilen Arcan test fikstürü kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneylerden elde edilen veriler ile her bir numuneye ait kuvvet-yer değiştirme grafikleri elde edilmiştir. Çatlak uzunluğu ve yama yüksekliği değiştirilerek tamirli numunenin çekme, kayma ve karışık mod yüklemelerinde meydana gelen hasar kuvvetine ve tipine etkisi araştırılmıştır.  Fikstür ve numune SOLIDWORKS programında modellenmiş ve sayısal hesaplamalar, her bir numune için sonlu elemanlar programı olan ANSYS ile elde edilmiştir. Numunelere ait deneysel kuvvet-yer değiştirme grafikleri, deneysel veriler kullanılarak sayısal analizlerden elde edilen gerilme şiddet faktörü ve enerji yayınım hızı değerleri ile geometrik faktör sonuçları sunulmuştur. Çatlak bölgesindeki uzama miktarını daha doğru ölçmek için gerinim ölçer kullanılmıştır. Strain gage verileri ANSYS sonlu elemanlar programından elde edilen şekil değiştirme grafiklerinde konumlandırılarak sayısal ve deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak çatlak uzunluğunun ve yama yüksekliğinin kırılma davranışını belirlemede etkili parametreler olduğu görülmüştür.

Abstract:
Carbon fiber reinforced composites have a wide range of uses today. It is widely used in the manufacture and repair of aerospace and aircraft, due to its lightness, hardness and strong strength. Composite materials are complex structures because they have a strong anisotropic structure. Today, with the rapid increase in the use of composite materials, it has become very important to predict and repair the damage mechanisms in these materials with anisotropic structure. The main problem in estimating this damage is the determination of fracture toughness under mixed mode loading conditions.
Fiber reinforced composites have strong strength only in the fiber direction. Therefore, the examination of interlayer delamination damage in mixed mode is important for determining fracture toughness. Many test methods have been used in the literature to provide mixed mode loading conditions. The Arcan test method is one of them, and it is an economical and practical method that simultaneously applies tensile and shear stresses to the sample, allowing a biaxial stress state, eliminating the need for unnecessary fixtures and expensive equipment.
In this study, experiments were carried out using Arcan test fixture, which was designed and manufactured in accordance with the tensile device, by applying a single-sided composite patch to the composite specimens containing cracks. With the data obtained from the experiments, force-displacement graphs of each sample were obtained. By changing the crack length and patch height, the effect of the repaired sample on the damage force and type of tensile, shear and mixed mode loadings was investigated. The fixture and sample were modeled in the SOLIDWORKS program and numerical calculations were obtained for each sample with the finite element program ANSYS. Experimental force-displacement graphs of the samples, Kıc, Gıc values obtained from numerical analyzes using experimental data and geometric factor graphs are presented comparatively. A strain gage was used to more accurately measure the amount of elongation in the crack region. Numerical and experimental results were compared by positioning the strain gage data in the ℇyy graphs obtained from the ANSYS finite element program. As a result, it has been seen that crack length and patch height are effective parameters in determining the fracture behavior.