Statik ve dinamik yükler etkisindeki tabakalı kompozit kirişlerin yapısal analizleri için yeni bir zikzak sonlu eleman formülasyonu geliştirilmesi
Development of a new zigzag finite element formulation for structural analysis of laminated composite beams under static and dynamic loads
Yazar: BATUHAN YURTSEVER
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET DÖRDÜNCÜ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kompozit kirişler = Composite beams ; Kompozit yapılar = Composite structures ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Stres-mekanik = Stress-mechanical ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites ; Yapısal analiz = Structural analysis

Özet:
Tabakalı kompozit yapılar, mukavemet-sertlik oranı ve düşük ağırlıkları sayesinde farklı mühendislik uygulamalarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu yapılar lif ve reçine bakımından zengin katmanlardan oluşmaktadırlar. Tabakalı kompozit yapılarda meydana gelen hasarlar matris kırılması, lif kopması ve katmanlar arası ayrılma gibi farklı biçimlerde oluşabilmektedir. Bu nedenle, tabakalı kompozit yapılarda lif oryantasyonunun, yükleme ve sınır koşullarının yer değiştirme ve gerilme dağılımları üzerindeki etkisinin iyi anlaşılması gerekmektedir. Bu yapıların dayanımını artırmak ve hizmet ömürlerini iyileştirmek için gerilme ve şekil değiştirme alanlarının doğru bir şekilde hesaplanması gerekmektedir.
Bu tez çalışması kapsamında tabakalı kompozit kirişlerin statik ve dinamik yükler altındaki davranışları, kalınlık boyunca şekil değişim etkileri de göz önünde bulundurularak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu kapsamda, Geliştirilmiş Zikzak Teorisini (GZZT) temel alan anizoparametrik üç düğüm noktasına ve on beş serbestlik derecesine sahip yeni bir sonlu eleman formülasyonu geliştirilmiştir. Statik ve dinamik yükler altındaki kirişlerin yer değiştirme ve gerilme dağılımları, farklı sınır şartları altında ve malzeme kombinasyonları kullanımı durumlarında incelenmiştir. Özellikle kalın kirişlerin kalınlık boyunca enine ve eksenel deformasyon davranışları detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Elde edilen sonuçların, referans değerler ile uyumlu olduğu, kayma deformasyonların baskın olduğu kalın kirişleri için ise daha gerçekçi sonuçlar ortaya koyduğu saptanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Tabakalı Kompozit Kirişler, Geliştirilmiş Zikzak Teorisi, Sonlu Elemanlar Metodu, Yapısal Analiz

Abstract:
Laminated composite structures have been widely used in many engineering applications due to their strength-to-stiffness ratio and light weights. They are composed of fiber-rich and resin-rich layers. Damages may occur in different forms such as matrix cracking, fiber breakage, and delamination. The influence of the fiber orientation, loading, and boundary conditions on the displacement and stress states in the laminated composites should be well understood for their structural integrity. Thus, a need is evident to determine the stress and strain fields accurately to enhance the strength of such structures and improve their service life.
In this project, the behavior of the laminated composite beams under static and dynamic loads is investigated in detail by considering the influence of transverse stretching. In this context, a new three-node and fifteen degrees of freedom finite element formulation are developed based on an anisoparametric Refined Zigzag Theory (RZT). The displacement and stress distributions of the beams under static and dynamic loads are examined by considering different boundary conditions and material variations. In particular, the transverse and axial deformation behavior of the thick beams is thoroughly investigated. The RZT predictions are found to be consistent with those of the reference solutions and to produce more realistic results for thick beams where the shear deformations are dominant.
Keywords: Laminated Composite Beams, Refined Zigzag Theory, Finite Element Method, Structural Analysis