Darbeli yüklemelere maruz hücre yapılı petek sandviç kompozitlerin mekanik davranışlarının incelenmesi
Investigation of mechanical behavior of cell structured honeycomb sandwich composites exposed to impact loading
Yazar: POYRAZ BAŞARAN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÖZDEN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Mühendislik uygulamalarında kullanılan malzemeler çok farklı yükleme tipine maruz kalabilmektedir. Düşük hızlı darbe, bir sistemin dış bölümünde bulunan parçalara etki eden en yaygın yükleme çeşididir.
Sandviç kompozit yapılar bu yükleme tipine maruz kaldığında darbe yüzeyi dışında darbeye maruz kalmayan yüzeyler, tabakalar arası ve yapının iç bölümünde de hasar oluşumuna müsait yapılardır. Dolayısıyla, bu yapılarda düşük hızlı darbe neticesinde oluşan hasarların türünün ve bu hasarların nasıl ilerleyeceğinin bilinmesi son derece önem arz etmektedir.
Bu tez çalışmasında, karbon fiber takviyeli kompozit çekirdek ve kare hücresel geometriye sahip olan bir sandviç kompozit yapının düşük hızlı darbe sonucunda dinamik yanıtını ve hasar oluşumu incelenmiştir. Bu kapsamda, deney yöntemi kullanılarak 10 ve 20 mm çaplarındaki vurucularla, 30, 40 ve 50 J çarpışma enerjileri ile 7 farklı tabaka düzenlemesi denenmiştir. Ayrıca, Hashin kırılma kriteri için VUMAT alt programı geliştirilmiş ve ABAQUS sonlu elemanlar programında entegre bir şekilde çalıştırılmıştır. Deneysel çalışmadan elde edilen kuvvet-zaman, enerji-zaman, hasar görüntüleri ve su jetinde kesilen numunelerin kesit alanları, simülasyondan elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçların uyumlu olduğu görülerek, geliştirilen VUMAT kodu ve ABAQUS modelinden elde edilen sonuçların güvenilir olduğu kanıtlanmıştır. Bu noktadan sonra artık deneysel çalışmalara gerek duyulmadan sadece simülasyonla farklı hücre tipi ve ölçüleri optimizasyonu yapılmıştır. Bu bağlamda slot geçme tipi çekirdek hücrenin farklı yükseklik boy oranları ve bağıl yoğunlukları yapının dinamik yanıtına olan etkisi incelenmiştir. Ayrıca aynı kodla konvansiyonel olarak sıkça kullanılan altıgen çekirdek hücrenin farklı yükseklik boy oranları ve bağıl yoğunlukları yapının dinamik yanıtına olan etkisi incelenmiştir. Son olarak da bu iki çekirdek hücre tipi düşük hızlı darbe karşısında gösterdikleri dinamik yanıt açısında birbiriyle kıyaslanmış ve optimize edilmiştir.
Tez çalışmasında önerilen hücre geometrisi kolay seri üretim ve özelleştirme avantajlarını sağlamanın yanı sıra yaygın olarak kullanılan çekirdek tiplerine göre daha rijit bir yapı oluşturduğu ortaya koyulmuştur. Ayrıca bu çekirdek tipi yapının içinde yerleşmesi gereken donanımlar veya sensörler için olanak oluşturmaktadır.
Geliştirilen bu kodlar çok farklı hücre tipi, hücre ve vurucu boyutları, farklı malzemeler vb. birçok farklı parametrenin araştırılmasına olanak sağlamaktadır.

Abstract:
The materials employed in engineering applications may undergo diverse loading scenarios. Low-velocity impact represents the most prevalent form of loading affecting components situated on the exterior of a system.
When sandwich composite structures are subjected to this type of loading, they manifest susceptibility to damage not only on the impacted surface but also within the interlayers and the internal regions of the structure. Consequently, it is imperative to possess a profound understanding of the nature of damage resulting from low-velocity impacts in these structures and how this damage propagates.
In this thesis study, the dynamic response and damage formation of a sandwich composite structure with a carbon fiber reinforced composite core and square cellular geometry under low-velocity impact have been investigated. In this context, experimental methods were employed with impactor diameters of 10 and 20 mm, and 7 different layer arrangements with collision energies of 30, 40, and 50 J were tested. Furthermore, a VUMAT subroutine was developed for the Hashin failure criterion and integrated into the ABAQUS finite element program. Force-time, energy-time, damage images obtained from experimental work, and cross-sectional areas of specimens cut by water jet were compared with the results obtained from simulation. The congruence of the results demonstrates the reliability of the developed VUMAT code and the ABAQUS model, eliminating the need for further experimental studies. Subsequently, only simulations were conducted for the optimization of different cell types and sizes, without the need for experimental studies. In this context, the effect of different aspect ratios and relative densities of slot-passing core cells on the dynamic response of the structure was investigated. Additionally, using the same code, the effect of different aspect ratios and relative densities of the conventionally used hexagonal core cells on the dynamic response of the structure was examined. Finally, the two core cell types were compared and optimized in terms of their dynamic responses under low-velocity impact.
The proposed cell geometry in the thesis study not only provides easy mass production and customization advantages but also demonstrates a more rigid structure compared to commonly used core types. Furthermore, this type of core structure provides opportunities for the integration of equipment or sensors within the structure.
The developed codes allow for the exploration of various parameters, such as different cell types, cell and impactor sizes, different materials, etc.