Katmanlı kompozit yapıların burkulma davranışının teorik ve deneysel olarak araştırılması
Theoretical and experimental investigation of buckling behavior in laminated composite structures
Yazar: EMİNE GÜLŞAH YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. RAHMİ ÜNAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Burkulma, basma yüklerinin etkisi altındaki yapıda, denge kaybı nedeniyle meydana gelen âni şekil değişikliğidir ve burkulma ile son burkulma olmak üzere de iki aşamadan oluşur. Yapı üzerindeki hasarlar, ön burkulma aşamasında, geçiciyken son burkulma aşamasında kalıcıdır. Bir yapının son burkulma aşamasında taşıyabileceği en yüksek yük, son burkulma dayanımı olarak adlandırılır. Bu araştırmada da karbon elyaf takviyeli katmanlı kompozit malzemeden üretilmiş L kesit alanına sahip yapılardaki son burkulma dayanımı ele alınmıştır. Katmanlı kompozit malzemelerin son burkulma dayanımlarını analitik olarak bulmak için geliştirilmiş olan mevcut formül, sadece kulakçık genişliğinin kalınlığa oranını bağımsız değişken olarak ele aldığı için yetersiz kalmakta idi. Buradan hareketle bu çalışma kapsamında katmanların son burkulma dayanımına etkisini içeren yeni bir yarı ampirik formül geliştirilmiştir. Bu amaçla mevcut çalışmalar incelenerek son burkulma dayanımına etki eden etmenler malzeme, geometri ve sınır koşulları olmak üzere üç sınıfta toplanmıştır. Malzeme etkisine kumaşların serim açıları ve katmanların dizilim sırası yönüyle bakılırken; geometri etkisi plaka genişliği ve kalınlık yönünden incelenmiştir. Sınır koşullarında ise L kesit alanına sahip olduğu için bir kenarı serbest plakaların hareket kısıtları ve yükleme durumlarına bakılmıştır. Bu kapsamda farklı dizilimleri ve geometrik özellikleri olan L kesit alanına sahip numuneler oluşturulmuştur. Bu numunelerin son burkulma dayanımları, hem mevcut analitik yaklaşım ile hem de sonlu eleman analizleriyle hesaplanmıştır. Ayrıca numunelerden altı tanesi için de test çalışması yapılmıştır. Sonlu eleman analizlerinde iki farklı çözüm yöntemi kullanılmıştır. Her iki yöntem de test değerleri ile oldukça uyumlu sonuçlar vermiştir. İlâveten, numunelerin son burkulma dayanımları, mevcut analitik formül kullanılarak da hesaplanmış ve test sonuçlarından oldukça yüksek değerler elde edilmiştir. Bu tez kapsamında da katmanlı kompozit yapıların son burkulma dayanımını hesaplayabilmek için yeni bir yarı ampirik formül geliştirilmiştir. Yeni geliştirilen analitik formülün test verileriyle oldukça uyumlu olduğu görülmüştür. Yeni analitik formül sâyesinde malzeme etkisinin göz önüne alınabildiği gerçekçi ve güvenilir hesaplamalar yapılmasının mümkün olabileceği ortaya konmuştur.

Abstract:
Buckling is a sudden change in shape that occurs due to loss of balance in a structure under the influence of compressive loads and consists of two stages as pre – buckling and post – buckling. The deformations on the structure are temporary in the pre – buckling stage and are permanent in the post buckling phase. The highest load that a structure can carry in the post – buckling stage is called crippling strength. In this research, crippling strength of structures for L sections made of carbon fiber reinforced layered composite material was studied. The current formula, which was developed to find analytically the crippling strength of laminated composites, was insufficient because it only considered the flange – to – thickness ratio as an independent variable. So, a new semi-empirical formula was developed including the effect of stacking sequence on crippling strength. For this purpose, the searches had been examined and the affecting factors of the crippling were classified into three groups as material, geometry and boundary conditions. While the material effect was considered in terms of the layer angles and the layup order, geometry effect was examined in terms of flange width and thickness. In boundary conditions, the movement constraints and loading conditions of the plates, which was one – edge –free due to the L sections, were examined. In this context, some L section samples, which had different layup order and geometrical properties, were created. The crippling strengths of these samples were calculated with both current analytical approach and finite element analyses. In addition, tests were performed for six of the samples. Two types of non – linear solution methods were used in the finite element analyses. The finite element results with both methods were quite compatible with the tests. Besides, crippling strengths of the samples were calculated via current analytical formula and significantly high values were obtained from the test results. In the scope of this thesis, a new semi-empirical formula was developed to calculate the crippling strength of laminated composites. The calculated values with this new formula were in good agreement when comparing with test results. Thus, it will be possible to make more realistic and reliable calculations via new analytical formulation in which the material effect can be taken into account.