Düzlemine dik doğrultuda dikilmiş fiber takviyeli kompozitlerde translaminer kırılma davranışının araştırılması
Investigation of the translaminar fracture behavior of the fiber reinforced composites stitched perpendicular to their plane
Yazar: AHMET MURAT AŞAN
Danışman: PROF. DR. METE ONUR KAMAN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada; üst üste istiflenmiş karbon fiber düz dokuma ve UD kumaş tabakaları kuru halde iken, düzlemine dik doğrultuda polyester ve karbon fiber ip ile dikilmiş, daha sonrasında ise epoksi matris kullanılarak vakum infüzyon yöntemi ile kompozit levha haline getirilmiştir. Dikiş işlemi uygulanmış tabakalı kompozitlerde translaminer kırılma tokluğunun belirlenmesi amaçlanmıştır. Gelişigüzel doğrultularda oluşabilen çatlak ilerlemesinin ve final hasarının ön tahmin kullanılmadan belirlenmesi gerekir. Bu amaçla; çatlak açısı, çatlak boyu, tabaka açısı, tabaka dizilimi, dikiş sıklığı ve dikiş açısı değişiminin karbon fiber takviyeli kompozitlerin translaminer kırılma tokluğu üzerindeki etkileri, deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada, kırılma testleri ASTM E1922 standardına göre yapılarak kritik yük, çatlak ucu açılma miktarları ve kırılma tokluğu değerleri belirlenmiştir. Sayısal çalışmada ise, M-integral yöntemi ve yer değiştirme korelasyon metodu kullanılarak kritik gerilme şiddet faktörleri belirlenmiştir. Modelleme ve kırılma tokluğu analizleri ANSYS sonlu elemanlar paket programında gerçekleştirilmiştir. Dikişli numunelerdeki çatlak bölgesinin tanımlanmasında, homojen modellerin yanı sıra karbon fiber ipleri ayrı bir hacim olarak gösteren heterojen modeller de kullanılmıştır. Daha sonra ise, çatlak ilerleme doğrultularını sayısal olarak bulabilmek için ANSYS'de hazırlanan model LS-DYNA programına aktarılarak ilerlemeli hasar analizi yapılmıştır. Hashin hasar kriteri temelli MAT_162 malzeme kartı kullanılarak çatlak ilerlemeleri her numune için sayısal olarak elde edilmiştir. Sonuçta çatlak ilerlemesinin, çatlak açılma yer değiştirmesinin ve hasar yüklerinin deneysel veriler ile uyumluluk durumu sunulmuştur. Ayrıca sayısal olarak bulunan kritik gerilme şiddet faktörü değerlerinin doğruluğu kırılma kriteri ile de ispatlanmıştır. Böylelikle, gelişigüzel tabaka dizilimine ve çatlak açısına sahip kompozitlerin translaminer kırılma tokluğunun ve herhangi bir ön tahmin çalışması yapılmadan çatlak ilerlemesi hesabının doğru bir şekilde yapılabilirliği ortaya koyulmuştur. Tabakalı kompozitlerin düzlemine dik doğrultuda dikilmesi kırılma tokluklarını düz dokuma kumaşlarda %23.5-80.6, UD kumaşlarda ise %1.41-9.38 oranında artırmıştır. Dikiş sıklığının artmasıyla kırılma tokluğu değerleri artış göstermiştir. Bu artış en fazla dikiş sıklığının %100 artması ile tokluğun %~15.4 arttığı boyuna doğrultuda dikilmiş numunede olmuştur. En yüksek kırılma tokluğu ise 1.25 mm dikiş sıklığına sahip çift doğrultuda dikiş ile elde edilmiştir. Tasarlanan heterojen modelin homojen modele göre %~1-6 oranında daha uygun sonuçlar verdiği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study; while the carbon fiber plain woven and UD fabric layers stacked on top of each other were dry, they were stitched with polyester and carbon fiber thread in the direction perpendicular to the plane, and then they were turned into composite sheets by vacuum infusion method using epoxy matrix. It was aimed to determine the translaminar fracture toughness of laminated composites which applied stitch. Crack propagation and final damage which can occur in random directions need to be determined without using a preliminary estimate. With this purpose; the effects of crack angle, crack length, layer angle, layer stacking sequence, stitch density and stitch angle variation on the translaminar fracture toughness of carbon fiber reinforced composites were investigated experimentally and numerically. In the experimental study, the fracture tests were performed according to the ASTM E1922 standard, and the critical load, crack tip opening amounts and fracture toughness values were determined. In the numerical study, critical stress intensity factors were determined using the M-integral method and the displacement correlation method. Modelling and fracture toughness analyses were performed in the ANSYS finite element package program. In addition to homogeneous models, heterogeneous models showing the carbon fiber threads as a separate volume were used to define the crack region in the stitched specimens. Then, in order to find the crack propagation directions numerically, the model prepared in ANSYS was transferred to the LS-DYNA program and progressive damage analysis was performed. Crack propagation was numerically obtained for each specimen using the MAT_162 material card making calculations according to the Hashin damage criterion. Finally, the compatibility of crack propagation, crack opening displacement, and damage loads with experimental data is presented. In addition, the accuracy of the numerically calculated critical stress intensity factor values has been proved by the fracture criterion. Thus, it has been demonstrated that the translaminar fracture toughness of composites with random layer arrangement and crack angle can be accurately calculated without any preliminary estimation. Stitching the layered composites perpendicular to the plane increased the fracture toughness by 23.5-80.6% in plain woven fabrics and 1.41-9.38% in UD fabrics. Fracture toughness values increased with the increase of stitch density. This increase was highest in the longitudinal stitched specimen which the toughness increased by ~15.4% with the 100% increase in the stitch density. The highest fracture toughness was obtained with double-direction stitching having 1.25 mm stitch density. It was determined that the designed heterogeneous model gave more appropriate results by ~1-6% compared to the homogeneous model.