Farklı açılarla sarılmış cam elyaf takviyeli polimer matrisli kompozitten üretilen silindirik çarpışma kutularının enerji sönümleyebilme kabiliyetlerinin incelenmesi
Investigation of energy absorption capabilities of cylindrical crash boxes made of glass fiber reinforced polymer matrix composite wrapped at different angles
Yazar: MEHMET TAY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERTAN KÖSEDAĞ
Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Hızla gelişen otomotiv endüstrisinde araç sayısının artması ve araç kullanan kişi sayısının artmasıyla beraber trafikte ciddi derecede araç yoğunluğu oluşmaktadır. Bunun sonucunda önemli derecede maddi ve ölümcül sonuçlara neden olan trafik kazaları meydana gelmektedir. Trafik kazalarının sonucunda meydana gelen bu olumsuzlukları önlemek amacıyla yani, araçlardaki maddi hasarı ve araç içindekilerin minimum seviyelerde etkilenmelerini sağlamak için çarpışma kutuları imal edilmiştir. Çarpışma kutuları araçlardaki herhangi bir çarpışma sırasında çarpışmanın etkisiyle oluşan kuvvetten meydana gelen enerjiyi aracın sonraki bölümlerine ve araçtaki kişilerce az hissedilmesini sağlayan elemanlardır. Çarpışma kutularının enerji absorbe etme performansları hayati derecede önemli olabilmektedir. Çarpışma kutularının enerji absorbe etme kapasitelerini arttırmak için önemli derecede çalışmalar yapılmış ve hala yapılmaktadır. Günümüze kadar çarpışma kutuları düşük karbonlu çelik, yüksek karbonlu çelik, alüminyum ve alaşımlarından imal edilmiş ve otomotiv endüstrisinde aktif olarak kullanılmıştır. Fakat son yıllarda gelişen endüstri ile beraber sürdürülebilirlik, hafiflik ve yakıt tasarrufu gibi konuların ön plana çıkması ve önem kazanmasıyla beraber çarpışma kutularının bu amaç doğrultusunda imal edilip tasarlanması, yeni araştırma ve geliştirmelere neden olmuştur. Bu tez çalışmasında amaç bugüne dek metal veya alaşımlarından imal edilen çarpışma kutularının malzemesini değiştirerek polimer matrisli kompozitten çarpışma kutuları imal etmek ve kompozit malzemenin mekanik özelliklerinin sağladığı avantajlar çerçevesinde enerji sönümleme yeteneklerini belirlemek ve karşılaştırmaktır. Bilindiği üzere fiber takviyeli polimer matrisli kompozitler anizotropik yapıya sahip malzemelerdir. Bu sebeple fiber yönelim açısının mekanik dayanım üzerindeki etkileri bu çalışma ile hedeflenmiştir. Bu çalışmada fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzeme imal edilirken takviye malzemesi (fiber) olarak cam elyaf, matris (ana) malzeme olarak ise termoset polimer grubundan olan epoksi reçine tercih edilmiştir. Kompozit çarpışma kutusu numuneleri takviye malzemesinin kalıp malzemeye farklı açılarla sarılıp, epoksi reçine ve sertleştirici ile bağlanarak, vakum infüzyon tekniği ile matris malzemenin numune boyunca homojen dağılmasının sonucunda imal edilmişlerdir. Elde edilen kompozit çarpışma kutusu numuneleri basma testine tabi tutulup enerji sönümleyebilme kapasiteleri ve buna bağlı olan diğer parametreleri belirlenmiş ve karşılaştırılmıştır.                                                  

Bu çalışmada imal edilen kompozit çarpışma kutusu numunelerinin test sonrasında elde ettiğimiz somut matematiksel verileri karşılaştırılıp yorumlanmıştır. Takviye malzemesi olarak kullanılan cam elyafın liflerinin tek bir doğrultu ve farklı açılarda sarılması sonucunda başta sönümlenen toplam enerji değerleri olmak üzere buna bağlı olan diğer bileşenlerinin de farklılık gösterdiği tespit edilmiştir. Lif yönelimlerinin farklı açılarda olmasının neticesinde mekanik parametrelerindeki bu farkı tespit etmek bakımından bu tez çalışması hedefine ulaşmıştır. 9 adet kompozit çarpışma kutusu numunelerinin test verilerine bakıldığında en yüksek enerji sönümleme performansının 30° ile sarılmış çarpışma kutusu numunesinin gösterdiği görülmektedir. Bu numunenin dışında enerji sönümleme değerleri ele alındığında sırasıyla en yüksek değere sahip numuneler (0, (+30, -30), (0, 90), 45, (+45, -45), 60, 90 ve (+60, -60) )° ile sarılan numunelerdir. Kütle hepsinde eşit olduğu için özgül enerji sönümleme değerleri de enerji sönümleme değerlerine bağlı olarak bu sıralamayla aynıdır. En düşük enerji sönümleme kapasitesine sahip olan (+60, -60)° ile sarılmış numunenin en düşük özgül enerji sönümlemesine ve ortalama deformasyon kuvvetinin maksimum deformasyon kuvvetinden çok düşük olmasından kaynaklı en düşük ezilme kuvveti verimine sahip olduğu görülmektedir.

Abstract:
In the developing automotive industry, with the increase in the number of vehicles and the number of people using vehicles, there is a serious density of vehicles in traffic. As a result, traffic accidents occur that cause significant financial and fatal consequences. Crash boxes have been manufactured in order to prevent these negativities that occur as a result of traffic accidents, that is, to ensure that the material damage to the vehicles and the occupants are affected at minimum levels. Crash boxes are elements that ensure that the energy generated by the force generated by the impact of the crash during any collision in the vehicle is less felt by the next parts of the vehicle and by the people in the vehicle. The energy absorption performance of crash boxes can be vitally important. Significant work has been done and is still being done to increase the energy absorption capacity of crash boxes. To date, crash boxes have been manufactured from low-carbon steel, high-carbon steel, aluminum and their alloys and have been actively used in the automotive industry. However, with the developing industry in recent years, issues such as sustainability, lightness and fuel saving have come to the fore and gained importance, and the manufacturing and designing of crash boxes for this purpose has led to new research and development. The aim of this thesis study is to manufacture crash boxes from polymer matrix composite by changing the material of crash boxes, which have been manufactured from metal or alloys to date, and to determine and compare the energy absorption capabilities within the framework of the advantages provided by the mechanical properties of the composite material. As it is known, fiber-reinforced polymer matrix composites are materials with anisotropic structure. For this reason, the effects of fiber orientation angle on mechanical strength were targeted in this study. In this study, when manufacturing fiber-reinforced polymer matrix composite material, glass fiber was preferred as the reinforcement material (fiber) and epoxy resin from the thermosetting polymer group was preferred as the matrix (main) material. Composite crash box samples were manufactured by wrapping the reinforcement material on the mold material at different angles, bonding it with epoxy resin and hardener, and distributing the matrix material homogeneously throughout the sample by vacuum infusion technique. The obtained composite crash box samples were subjected to compression testing, and their energy dissipation capacity and other related parameters were determined and compared.

In this study, the concrete mathematical data we obtained after the test of the composite crash box samples manufactured were compared and interpreted. It has been determined that, as a result of winding the fibers of the glass fiber used as reinforcement material in a single direction and at different angles, the total energy values absorbed and other related components also differ. This thesis has achieved its goal in terms of detecting this difference in mechanical parameters as a result of the fiber orientations being at different angles. Looking at the test data of 9 composite crash box samples, it was seen that the crash box sample wrapped at 30° shows the highest energy absorption performance. Apart from this sample, when energy absorption values are considered, the samples with the highest values are (0, (+30, -30), (0, 90), 45, (+45, -45), 60, 90 and (+60, -60))° These are samples wrapped with. Since the mass is equal in all, the specific energy absorption values are the same in this order depending on the energy absorption values. It is seen that the sample wrapped with (+60, -60)°, which has the lowest energy absorption capacity, has the lowest specific energy absorption and the lowest crushing force efficiency due to the average deformation force being much lower than the maximum deformation force.