Çift ok uçlu ökzetik çekirdeğe sahip sandviç yapıların darbe davranışının incelenmesi
Investigation of the impact behavior of sandwich structure with double arrowhead auxetic core
Yazar: UĞUR KAYACAN
Danışman: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN ; DR. KADİR GÜNAYDIN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Teknoloji, insanlığın günlük ve genişleyen gereksinimlerini karşılamak amacıyla sürekli gelişmektedir. Teknolojik gelişmeler ile birlikte malzeme bilimi ve mühendisliği de yenilikçi yapıların geliştirilmesine yönelik bir arayış içerisindedir. Bu arayış, malzemelerin yapısal verimliliğini artırmayı, ağırlıklarını azaltmayı ve performanslarını maksimize etmeyi amaçlamaktadır. Özellikle hafif fakat dayanıklı yapıların tasarımı, havacılık ve otomotiv gibi çeşitli mühendislik alanlarında büyük önem taşımaktadır. Bu bağlamda ökzetik yapılar, son yıllarda dikkat çeken ve bu talepleri karşılayabilecek potansiyele sahip olan yenilikçi ürün grupları arasındadır.
Günümüz dünyasında gelişen teknoloji ile birlikte yapıların performansını arttırmanın yöntemlerinden biri, yapıların birim ağırlık başına sahip oldukları dayanımı arttırmaktır. Geleneksel monolitik yapılarla karşılaştırıldığında, sandviç yapılar düşük yoğunluk ve yüksek özgül mukavemet gibi özellikleri sayesinde daha hafif tasarımlarda tercih edilmektedir.
Yüksek enerji emilimi ve darbe direnci gerektiren mühendislik uygulamalarında ökzetik malzemeler sandviç yapıların çekirdek katmanlarında kullanılırlar. Bu sayede, ökzetik malzemeye sahip sandviç yapılar hafiflik, yüksek dayanım, yüksek enerji emme kapasitesi ve darbe direnci özelliklerine sahip olmaktadır. Bu nedenle, havacılık, otomotiv, denizcilik, biyomedikal, savunma ve askeri gibi farklı alanlarda kullanımını yaygınlaştırmaktadır. Otomotiv sektöründe, çarpışma anında kinetik enerjiyi absorbe eden ve etkisini azaltan tasarımlar, darbe emici malzemeler veya yapılar kullanılarak tasarlanır. Havacılık'ta ise kuş çarpması veya yabancı madde hasarı oluşturabilecek birçok dinamik çarpışma problemi yapıda ciddi hasarlara yol açacağından kritik parçalar için enerji emme kapasitesi yüksek ökzetik malzemeye sahip sandviç yapılar tercih edilmektedir.
Doğada bulunan çeşitli geometrilere sahip yapılardan esinlenen insanlar, yapıların maruz kaldığı yükleri sönümleyebilmek ve darbe kabiliyetini artırmak amacıyla çeşitli geometrilere sahip kafesli yapılar tasarlamayı ve bu yapıları üretilebilir hale getirmeyi başarmışlardır.
Poisson oranı, bir malzemenin boyutlarındaki bir eksendeki gerilme veya sıkışma sonucu diğer eksenlerde meydana gelen boyutsal değişim oranını ifade eden negatif veya pozitif değerler ile belirtilen ve malzemenin deformasyon davranışını karakterize eden mekanik bir özelliktir. Ökzetik malzemeler, geleneksel malzemelerin aksine negatif poisson oranına sahip özel bir malzeme sınıfıdır ve bu özelliği sayesinde bir eksen boyunca gerildiklerinde diğer eksende de genişleyen veya bir eksen boyunca daraldıklarında diğer eksende de daralan bir malzeme mekaniğine sahiptir. Bu davranış, ökzetik malzemelere yüksek enerji emilimi ve kesme dayanımı gibi benzersiz mekanik özellikler kazandırır. Sandviç yapılarda negatif poisson oranı, çekirdek geometrisinin tasarımıyla sağlanmaktadır.
Bu çalışmada, iki ince plaka ile sınırlandırılmış ve elastoplastik malzeme özelliklerine sahip nylon, onyx ve bu iki malzemenin kombinasyonları olan nylon-onyx-nylon ve onyx-nylon-onyx şeklinde modellenen çift ok uçlu ökzetik çekirdek yapısına sahip sandviç yapının darbe davranışı ve dinamik tepkisi incelenmiştir. Öncelikle, Altair Hypermesh ticari yazılım programının Radios modülü kullanılarak QUAD4-SHELL4N kabuk eleman tipi ile sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Ardından 10 mm çaplı rijit bir bilye modellenerek plakanın merkezinden 4 mm uzağa ve plakaya dik yönde yerleştirilmiştir. Sonlu elemanlar modeli oluşturulan çift ok uçlu sandviç yapı ile rjjit top arasına 0.2 mm sürtünme katsayılı temas(contact) tanımlanmıştır. Aynı zamanda modellenen sandivç yapılı geometriye kendi içinde temas verilerek elemanlar arasında daha gerçekçi bir davranış sağlanmıştır. Onyx ve nylon malzemenin plastik özellikleri literatürdeki gerilme-gerinim diyagramları yardımıyla elde edilmiş olup Radios programında kullanılan M36_PLAS_TAB kartı içine girdi olarak tanımlanmıştır. Rijit bilyenin ökzetik çekirdekli yapı ile çarpışmasını simüle etmek için kullanılan sonlu eleman modeli, doğrusal olmayan (nonlinear) açık (explicit) dinamik analiz tekniği kullanılarak Altair-Radioss çözücüsü yardımıyla çözümler elde edilmiştir. Kullanılan sonlu elemanlar modelinin doğruluğunu sağlamak amacıyla literatürden benzer darbe çalışmaları araştırılmış ve bulunan bir çalışma, tez kapsamında kullanılan modeldeki aynı yaklaşım, analiz tipi ve parametreler ile modellenip, benzer sonuçlar elde edilmiştir. Böylelikle, bulunan kaynaktaki çalışmanın sonuçlarıyla benzer parametreler kullanılarak oluşturulan modelin sonuçları arasında uyum sağlanmıştır.
Literatürde yapılan çalışmalar göz önünde bulundurularak düşük, orta ve yüksek hızlarda darbe analizleri gerçekleştirilmiştir. Plakanın ortasına 10m/s, 25m/s, 50 m/s, 75 m/s, 100 m/s, 150 m/s ve 200m/s hızlarla fırlatılan rijit bilyenin oluşturduğu yer değiştirme ve reaksiyon kuvveti değerleri elde edilmiş ve bu veriler yardımıyla yapıların enerji sönümleme kapasiteleri hesaplanmıştır.
Sonuçlar incelendiğinde, dört farklı malzeme kombinasyonu için çarpışma hızlarındaki artışın, yapıların sönümlediği enerjiyi arttırdığı görülmüştür. Tüm farklı hız büyüklükleri için sonuçlar incelendiğinde, sadece onyx'ten oluşan yapının her hız değerinde en az enerji sönümleme kapasitesine sahip olduğu görülmektedir. Nylon-onyx-nylon kombinasyonundan oluşan yapı ise 75 m/s hız büyüklüğünden sonra maksimum enerji sönümleme kapasitesine sahip iken bu değerden daha düşük hızlarda sadece nylon'dan oluşan yapı en yüksek enerji sönümleme kapasitesine sahip olmuştur. Malzemelerin mekanik ve plastik özellikleri ile beraber yapıda oluşan deformasyon miktarının, yapıların enerji sönümleme kapasitesine etkisi yapılan çalışma ile gözlemlenmiştir.
Nylon ve onyx malzemelerin mekanik özellikleri karşılaştırıldığında; nylon malzemesi düşük elastisite modülüne sahip olması nedeniyle onyx malzemesine göre çok daha kolay deforme edilebilmektedir. Bu iki malzemenin plastik özellikleri ele alındığında nylon malzemesinin yüksek kırılma tokluğuna sahip olmasından dolayı daha sünek bir davranışa sahip olduğu görülmektedir. Nylon-onyx-nylon malzeme kombinasyonu incelendiğinde; yüksek hızlarda çarpan rijit bilyenin ilk temas ettiği çekirdek katmanı nylon malzemesine sahip olduğu için kolayca deformasyona uğramış fakat rijit bilye enerjisinin bir kısmı burada sönümlenmesine rağmen kalan enerjisi sayesinde diğer tabakalara da temas etmiştir. Enerjisinin bir miktarı sönümlenen rijit bilye onyx malzemesinden oluşan ikinci katmana temas ettiğinde, tabaka daha az deformasyona uğrayıp daha yüksek reaksiyon kuvveti oluşturmuştur. Yapının bu davranışı da çoklu malzeme kullanımı sayesinde daha yüksek enerji sönümleme kapasitesi yaratmıştır.
Katmanların birbiri ile olan etkileşimlerini ve deformasyon miktarlarını artırmak, malzeme kombinasyonlarının enerji sönümleme kapasitesi açısından etkisini daha düşük hızlardada görebilmek için birim hücre açıları ve geometrisi değiştirilmeden aynı geometriye sahip yapının katman sayısı arttırılıp birim hücre boyutu azaltılarak enerji sönümleme kapasitesi en yüksek bulunan nylon-onyx-nylon malzeme kombinasyonu için aynı hızlarda tüm analizler tekrardan gerçekleştirilmiştir. Bu yeni oluşturulan model her hız değeri için en iyi sonuç veren malzeme kombinasyonu ile karşılaştırılmıştır. Bu sonuçlar incelendiğinde de nylon-onyx-nylon malzeme kombinasyonuna sahip altı katmanlı geometrinin yüksek hızlardaki üstün performansı, düşük hızlarda da görülmeye başlamış ve bu hızlarda spesifik enerji sönümleme kapasitesi artırılmıştır.
Sonuç olarak, farklı hız değeri ve farklı malzeme kombinasyonuna sahip modeller karşılaştırılarak spesifik enerji sönümleme kapasitesi en yüksek kombinasyonun bulunması, yapının deformasyon davranışları incelenmesi ve bulunan optimum kombinasyonun birim hücre boyutunun değiştirilmesiyle yapının daha düşük hızlarda da enerji absorbe etme kabiliyetinin artırılması amaçlanmıştır.

Abstract:
Technology is continuously evolving to meet the growing and diverse needs of humanity. Along with technological advancements, material science and engineering are also in a constant search for innovative structures. This quest aims to enhance the structural efficiency of materials, reduce their weight, and maximize their performance. The design of lightweight yet durable structures is particularly crucial in various engineering fields, such as aerospace and automotive industries. In this context, auxetic structures have emerged in recent years as innovative product groups with the potential to meet these demands.
In today's world, one of the methods to improve the performance of structures with advancing technology is to increase the strength-to-weight ratio. Compared to traditional monolithic structures, sandwich structures are preferred in lightweight designs due to their characteristics such as lightness and high specific strength.
In engineering applications requiring high energy absorption and impact resistance, auxetic materials are used in the core layers of sandwich structures. As a result, sandwich structures with auxetic materials possess properties such as lightness, high strength, high energy absorption capacity, and impact resistance. These features make them widely applicable in various fields, including aerospace, automotive, marine, biomedical, defense, and military sectors. In the automotive industry, designs that absorb kinetic energy during collisions and reduce its impact are made using impact-absorbing materials or structures. In aviation, due to many dynamic collision problems that can cause significant damage to the structure, such as bird strikes or foreign object damage, sandwich structures with high energy absorption capacity auxetic materials are preferred for critical parts.
Inspired by various geometries found in nature, humans have succeeded in designing and making producible lattice structures with different geometries to absorb the loads imposed on structures and enhance impact capabilities.
Poisson's ratio is a mechanical property that expresses the ratio of dimensional change in other axes due to stress or compression in one axis, characterized by negative or positive values, and describes the deformation behavior of a material. Unlike traditional materials, auxetic materials belong to a special class with a negative Poisson's ratio, which allows them to expand in the other axis when stretched along one axis or contract along the other axis when compressed. This behavior imparts unique mechanical properties such as high energy absorption and shear strength to auxetic materials. In sandwich structures, a negative Poisson's ratio is achieved through the design of the core geometry.
In this study, the impact behavior and dynamic response of a sandwich structure with a double-arrowhead auxetic core modeled with elastoplastic material properties of nylon, onyx, and combinations of these two materials (nylon-onyx-nylon and onyx-nylon-onyx) constrained by two thin plates were investigated. Firstly, a finite element model was created using the QUAD4-SHELL4N shell element type in the Radioss module of the commercial software Altair Hypermesh. Then, a rigid ball with a diameter of 10 mm was modeled and placed 4 mm away from the center of the plate and perpendicular to the plate. Contact with a friction coefficient of 0.2 mm was defined between the double-arrowhead sandwich structure and the rigid ball. At the same time, contact was given within the modeled sandwich geometry to ensure more realistic behavior between the elements. The plastic properties of onyx and nylon materials were obtained from the stress-strain diagrams in the literature and defined as input in the M36_PLAS_TAB card used in the Radioss program. The collision of the rigid ball with the auxetic core structure was simulated using the nonlinear explicit dynamic analysis technique in the Altair-Radioss solver. To ensure the accuracy of the finite element model used, similar impact studies from the literature were investigated, and a study was modeled with the same approach, analysis type, and parameters used in the thesis, yielding similar results. Thus, consistency was achieved between the results of the model created using similar parameters to the source found in the literature.
Considering the studies in the literature, impact analyses were performed at low, medium, and high speeds. Displacement and reaction force values were obtained from the rigid ball launched at speeds of 10 m/s, 25 m/s, 50 m/s, 75 m/s, 100 m/s, 150 m/s, and 200 m/s at the center of the plate, and the energy absorption capacities of the structures were calculated using these data.
The results showed that the energy absorbed by the structures increased with the increase in collision speeds for four different material combinations. When the results were examined for all different speed magnitudes, it was observed that the structure composed only of onyx had the lowest energy absorption capacity at each speed value. The structure made of nylon-onyx-nylon combination had the highest energy absorption capacity after 75 m/s, while at speeds lower than this value, the structure made of nylon alone had the highest energy absorption capacity. The effect of the mechanical and plastic properties of the materials and the amount of deformation occurring in the structure on the energy absorption capacity of the structures was observed through the study.
Comparing the mechanical properties of nylon and onyx materials, it is seen that nylon can be deformed much more easily than onyx due to its lower modulus of elasticity. Considering the plastic properties of these two materials, it is also observed that nylon exhibits more ductile behavior due to its high fracture toughness. When the nylon-onyx-nylon material combination is examined, it is seen that the core layer, which first contacts the rigid ball impacting at high speeds, is made of nylon material, so it is easily deformed, but despite absorbing part of the rigid ball's energy, the remaining energy allows it to contact other layers. When the rigid ball with some of its energy absorbed contacts the second layer made of onyx material, the layer undergoes less deformation and generates higher reaction forces. This behavior of the structure has created higher energy absorption capacity due to the use of multiple materials.
To increase the interactions between layers and the amount of deformation and to see the effect of material combinations on energy absorption capacity at lower speeds, the number of layers of the structure with the same geometry without changing the unit cell angles and geometry was increased, and the unit cell size was reduced. All analyses were repeated for the nylon-onyx-nylon material combination with the highest energy absorption capacity at the same speeds. When this newly created model was compared with the best-performing material combination for each speed value, it was also observed that the superior performance of the six-layered geometry with the nylon-onyx-nylon material combination at high speeds started to be seen at lower speeds, and the specific energy absorption capacity was increased at these speeds.
As a result, by comparing models with different speed values and different material combinations, the combination with the highest specific energy absorption capacity was found, the deformation behaviors of the structure were examined, and the ability of the structure to absorb energy at lower speeds by changing the unit cell size of the found optimum combination was aimed to be increased.