Kompozit yapılarda makro ve mikro hasar davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of macro and micro damage behavior in composite structures
Yazar: İSMAİL ÖZEN
Danışman: PROF. DR. HASAN GEDİKLİ
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Enerji sönümleme = Energy damping ; Hasar = Damage ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Katı cisimler = Solid bodies ; Kompozit yapılar = Composite structures

Özet:
Bu tez çalışmasında, mühendislik uygulamalarında karşılaşılan kompozit yapıların mikro ve makro hasar davranışının ortaya çıkarılması ve yenilikçi yaklaşımlarla iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, ilk olarak, cam elyaf takviyeli polimer (CETP) kompozit, karbon elyaf takviyeli polimer (KETP) kompozit, ticari 3M-8663 kodlu poliüretan (PU) bant, 304 paslanmaz çelik ve saf nikel malzemelerde katı parçacık çarpması sonucu oluşan hasar (erozyon) davranışı deneysel ve sayısal olarak karakterize edilmiştir. Ayrıca bahsi geçen malzemelerin bir helikopter rotor pali aşınma kalkanındaki katı parçacık erozyon performansları 0º hücum açısı ve farklı çarpma hızları için (110 ,150, 190 ve 230 m/s) sayısal olarak belirlenmiştir. İkinci olarak, 3D yazıcılar kullanılarak düzlem içi ve düzlem dışı yönlü üretilen termoplastik çekirdek yapılar ile KETP kompozit yüzey plakaları birleştirilerek oluşturulan kompozit sandviç panellerin düşük enerjili darbe etkisi altındaki enerji sönümleme ve hasar davranışları incelenmiştir. Son olarak, KETP kumaşlar kullanılarak vakum torbalama yöntemiyle üretilen içi boş ve hücresel (kare, altıgen) dolgulu kare, altıgen ve silindir dış yüzeyli kompozit çarpışma kutularının statik basma yükü altındaki ezilme karakteristikleri ve hasar mekanizmaları deneysel ve sayısal olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak, yüksek çarpma hızlarında (190 ve 230 m/s) aşınma kalkanındaki ortalama erozyon oranı, PU bant malzemeye göre cam elyaf takviyeli kompozit malzemede 10 kat daha yüksek elde edilmiştir. Düzlem içi yönlü hücre deseni tasarımı açısından, ökzetik çekirdekli kompozit sandviç panel bal beteği çekirdekli kompozit sandviç panele göre daha iyi darbe dayanımı ve enerji yayma kabiliyeti göstermiştir. İçi boş kare tip kompozit çarpışma kutusuna altıgen hücreli dolgu ilavesinin, özgül enerji sönümleme performansını yaklaşık olarak %140 arttırdığı tespit edilmiştir.

Abstract:
This thesis aims to reveal the micro and macro damage behavior of composite structures encountered in engineering applications and to improve them with innovative approaches. For this purpose, firstly, damage (erosion) behavior under solid particle impact of plain-woven glass fiber reinforced polymer (GFRP) composite, carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite, commercial 3M-8663 polyurethane (PU) tape, 304 stainless steel and pure nickel materials was characterized experimentally and numerically. Also, the solid particle erosion performances of the aforementioned materials were numerically determined for 0º angle of attack and different impact velocities (110, 150, 190 and 230 m/s) in wear shield of a helicopter rotor blade. Secondly, composite sandwich panels were manufactured by combining CFRP composite face sheets and in-plane and out-of-plane oriented thermoplastic core structures fabricated using 3D printers. Energy absorption and damage behavior of the composite sandwich panels under low-energy (20, 40 ve 70 J) impact were experimentally and numerically investigated. Lastly, the crushing characteristics and damage mechanisms under static compression load of the composite crash boxes with hollow and cellular (square, hexagonal) filled square, hexagonal and cylindrical outer surface, produced by vacuum bagging method using CFRP fabrics, were determined experimentally and numerically. As a result, the average erosion rate on the wear shield of the GFRP composite material was 10 times higher than that of the polyurethane material at high impact velocities (190 and 230 m/s). In terms of in-plane oriented cell pattern design, auxetic core based composite sandwich panel showed better impact resistance and energy dissipation ability than honeycomb core based composite sandwich panel. It was found that the addition of hexagonal cell filler to the hollow square type composite crash box increased the specific energy absorption ability by approximately 140%.