EPS ve mikro balon katkılı hibrit sandviç kompozit yapının sonlu eleman analizi
Finite element analysis of EPS and microballoon filled hybrid sandwich composite structure
Yazar: MEHMET FATİH ŞANSVEREN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA YAMAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Polistiren boncuk = Polystyrene bead ; Sandviç yapı elemanları = Sandwich structure elements ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Sünger = Sponge

Özet:
Amaç: Tezin amacı EPS boncuk katkılı kabarcıklı sünger hibrit kompozit malzemenin üretilerek daha hafif bir malzeme elde edilmesi ve cam elyaf kompozit malzeme ile yapısal birleşiminden yeni bir sandviç malzeme ortaya koymaktır. Aynı zamanda oluşturulan sandviç kompozit yapının sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak dinamik özelliklerinin teorik olarak belirlenmesi ve deneysel sonuçlarla kıyaslanmasıdır.  
Yöntem: Halihazırda kullanılmakta olan cam mikro balonlardan üretilen kabarcıklı sünger kompozit malzemenin, EPS boncuk katkısı ile daha hafif bir hibrit kompozit yapı olarak üretilmesi amaçlanmıştır. Matris malzemesi olarak polimer esaslı epoksi reçine, dolgu elemanı olarak cam mikro balon ile EPS boncuk kullanılmıştır. Bileşen malzemelerin hacimsel oranları sabit tutularak sadece EPS boncukların yoğunlukları değiştirilmiştir. Yapının çekirdek kısmını oluşturan bu hibrit kompozit malzeme bileşenlerin bir beher içerisinde karıştırılması ve ardından alüminyum kalıplara aktarılması ile şekil almıştır. Çekirdek yapının SEM görüntüleri alınarak mikro yapı incelenmiştir. Üretilen çekirdek kompozit ile üretilen cam elyaf kompozit malzemeler sandviç bir yapı oluşturacak şekilde yapıştırılmıştır. Nihai yapı deneysel olarak titreşim, üç noktadan eğme ve basma testlerine tabii tutulmuştur. Ayrıca nihai kompozit yapının teorik modeli sonlu elemanlar yöntemine dayanarak matematiksel model kurulmuştur. Sonlu elemanlar yönteminde ise yüksek mertebeden plaka kayma deformasyon teorisi kullanılmıştır. Kurulan bu matematiksel model MATLAB programında kodlanarak çözümler yapılmıştır.
Bulgular: Çalışmada 10, 18 ve 30 kg/m3 olmak üzere üç farklı yoğunlukta EPS boncuklar kullanılmıştır. Üretilen yeni kompozit çekirdek SEM 'de incelenmiş matris malzemesinin dolgu elemanları ile iyi bağlandığı ve uniform bir dağılım elde edildiği gözlemlenmiştir. EPS boncuk çapı, yoğunluğunun artmasıyla azalmaktadır. Küçük çaplı EPS boncuk kullanımı ile kabarcıklı sünger kompozit malzemenin yoğunluğunun arttığı görülmüştür. Doğal frekans, eğilme dayanımı ve rijitliği ile basma dayanımı değerlerinin EPS boncuk yoğunluğunun artması ile arttığı tespit edilmiştir.  Diğer bir ifade ile küçük çaplı EPS boncuk kullanımı ile doğal frekans, eğilme dayanımı ve rijitliği ile basma dayanımı değerlerinin arttığı gözlenmiştir.
Sonuç: EPS boncuk katkılı kabarcıklı sünger hibrit kompozit çekirdek malzemesinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda cam elyaf kompozit levhalar arasına yerleştirilip yapıştırılarak sandviç yapıda kullanıma sunulmuştur. Tasarım açısından daha hafif bir kompozit çekirdek malzeme kazanılmıştır ve nihai bir sandviç yapıya fonksiyonellik kazandırılmıştır. Düşük mukavemetli ama çok hafif bu yapıların dezavantajlı görünümü sandviç bir yapıda çekirdek malzemesi olarak kullanılması ile avantaja dönüşebildiği görülmüştür. Dinamik analizlerin deneysel sonuçları ile nümerik modelden elde edilen sonuçları iyi uyum sergilemiştir.

Abstract:
Purpose: The aim of the thesis is to produce EPS bead filled syntactic foam hybrid composite material to obtain a lighter material and to reveal a new sandwich material from the structural combination of glass fiber composite material. At the same time, the theoretical determination of the dynamic properties of the sandwich composite structure using the finite element method and the comparison with the experimental results.
Method: The syntactic foam composite material produced from glass microballoons currently in use is intended to produce a lighter hybrid composite structure with the addition of EPS beads. Polymer-based epoxy resin was used as matrix material, glass microballoon and EPS beads were used as filler materials. By keeping the volume fraction of the component materials constant, only the densities of the EPS beads were changed. This hybrid composite material, which forms the core part of the structure, was formed by mixing the components in a beaker and then transferring them to aluminum molds. The microstructure was examined by taking the SEM images of the core structure. The fabricated core composite and the fabricated glass fiber composite materials were bonded to form a sandwich structure. The final structure was experimentally subjected to vibration, three-point bending and compression tests. In addition, a mathematical model has been established based on the finite element method, which is the theoretical model of the final composite structure. In the finite element method, the higher order shear deformation plate theory is used. This mathematical model was coded and solved in MATLAB program.
Findings: Three different densities of EPS beads, 10, 18 and 30 kg/m3, were used in the study. The newly produced composite core was examined in SEM, it was observed that the matrix material was well bonded with the filler materials and a uniform distribution was obtained. The diameter of the EPS beads decreases with increasing density. It was observed that the density of the syntactic foam composite material increased with the use of small diameter EPS beads. Natural frequency, flexural strength and stiffness, and compressive strength values were found to increase with the increase in EPS bead density.  In other words, it has been observed that the natural frequency, flexural strength and stiffness, and compressive strength values increase with the use of small diameter EPS beads.
Results: The production of EPS bead filled syntactic foam hybrid composite core material has been carried out. It was also placed between the fiber glass composite sheets and bonded with each other to form sandwich structure. A lighter composite core material has been acquired in terms of design, and functionality has been added to the final sandwich structure. The disadvantageous appearance of these low-strength but very lightweight structures can be turned into an advantage by using them as a core material in a sandwich structure. The experimental results of the dynamic analysis were in good agreement with the results obtained from the numerical model.