Akrilik bazlı çok katmanlı sürdürülebilir kompozitlerin yönlenmeye bağlı mekanik özelliklerinin analitik ve sayısal olarak doğrulanması
Analytical and numerical validation of the orientational mechanical properties of acrylic based multilayer sustainable composites
Yazar: KEREM KILIÇ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Cam elyaf kompozitler = Glass fiber composites ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
Günümüzde hızla gelişen teknolojiye bağlı olarak endüstrinin birçok alanında yeni üretim teknikleri ile beraber daha karmaşık yapılar inşa edilmeye başlanmıştır. Karmaşık yapıların getirdiği ağırlık artışı hareketli sistemlerde bu ağırlığı hareket ettirebilmek için harcanması gereken gücü arttırmış ve dolayısıyla da hem yakıt ihtiyacı hem de artık gazların çevreye olan zararı artmıştır.
Güncel gidişat ve geleceğe yönelik yapılan kaynak araştırmaları sonucu gelişen sanayinin bu ilerleyişin tam tersi yöne evrilerek gelişimini sürdürmesi sağlıklı hayat şartları, verimlilik ve ekonomi alanlarında kritik bir önem taşımaktadır. 
Bu gerekçeler ile ilk adım hafifletme açısından yapılmış olup klasik metallerin ve alaşımların yerine aynı işletme koşullarını sağlayabilecek ancak daha hafif olan kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Kompozit malzemelerden imal edilen parçalar ve aksamlar günümüzde hayatımızın birçok alanında aktif şekilde kullanılmaktadırlar. 
Ancak bu hafifletmenin etkisi de endüstrinin gelişiminden ortaya çıkan zararlı çevre etkisinin ivmelenmesinin önünü yeterli ölçüde kesememiştir. Günümüzde hala kompozitlerin kullanımları yeterince her alanda yaygınlaşamamıştır. Bundan dolayı kompozit sektöründe yeni bir adım atılmış olup artık geri dönüştürülebilir kompozitler üretilmeye başlanmıştır. 
Kompozitler üzerine yapılmış ve yapılmakta olan birçok doğrulama ve analiz çalışmaları literatürde yer almaktadır. Bunlara paralel olarak ise yeni yaygınlaşmaya başlayan geri dönüştürülebilir kompozitler için çalışmalar litaratürde yeteri kadar bulunmamaktadır.
Bu tez çalışması kapsamında Arkema firmasını tarafından geliştirilen ve üretilen Elium bazlı kompozit malzeme için bir doğrulama çalışması yapılmıştır. Bu malzeme ile güncelde çelik malzemeye sahip Mercedes Benz kamyonlarının kabin destek parçasının yeniden üretilip aynı şekilde ve görevde eskisinin yerinde aracı daha hafifletici olarak kullanılması üzerine bir çalışma yürütülmüştür. Genel olarak hem aracı hafifletici hem de çevreye daha az zararlı üretlebilirlik hedeflerinde bir çalışma yapılmıştır. 
Çalışma dahilinde bu doğrulama işlemi numuneler bazında başlamıştır. Öncelikle farklı katman özelliklerine sahip numuneler çekme, basma ve eğilme testlerine tabi tutulmuştur. Bu testlerin ardından tüm numuneler için bilinen birleşim detaylarından faydalanılarak test senaryoları ile birşetirilen bir analitik hesaplama çalışması yapılmıştır. Böylelikle numuneler ve katmanları üzerlerindeki yükler hesaplanabilmiştir. Bunlara ilave olarak bilgisayar destekli analiz programında testler modellenmiş ve yine aynı test senaryosu altında hem genel hem de katman kademesinde sonuçlar incelenmiştir.

Bu aşamalar göz önüne alındığında bu çalışma literatürde bir geri dönüştürülebilir kompozit malzemeye ait hem fiziksel test, hem analitik hesaplama hem de bilgisayar destekli simülasyon ile yapılan ilk kapsamlı doğrulama çalışması olmuştur. 
Doğrulamanın ilk aşaması olarak yapılan fiziksel testler İstanbul Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Fakültesi malzeme test laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Burada gelen numunelere temel malzeme testleri uygulanmış olup birçok tekrar yapılmıştır. Çekme testi, basma testi ve eğilme testi standatlara uygun olarak hazırlanan numuneler ve kurulan sistemle tamamlanmıştır. Testlerin sonuçları bilgisayara aktarılmış olup sonradan veriler üzerinde inceleme ve çoklu değerlendirme imkanı sunmuştur. Hasarlı numuneler ise test fonrasında fotoğraflanıp numune türüne göre kayıt altına alınmıştır.
Bu aşamada yeni malzemenin temel özellikleri hakkında tasarım kısıtları belirlenmiştir. Elaistisite modülü, kırılma dayanımı, çekme dayanımı, basma dayanımı, akma dayanımı ve poisson oranı gibi karakteristik özellikler farklı fiziksel tstler sonucu ortaya çıkan verilerin birleştirilmesi sonucu ortaya çıkarılmıştur. Belirlenen bu özellikler ise test edilen numune türüne ait tasarımsal şartları ve sınırları tanımlamaya yardımcıdır. 
İkinci aşama olarak üretici firmadan alınan elyaf özellikleri, matris özellikleri, birşelim oranı, katman yapıları ile fiziksel testlerin uygulandığı yükleme senaryolarındaki kuvvetlerle beraber matematiksel hesaplamalar yapılmıştır. Bu hesaplamalar her katman özelinde her bir yönlenme türüne uygun olarak tüm numuneler için tekrarlanmıştır. Böylelikle fiziksel testte elde edilen genel parça sonuçlarına ek olarak katmanlar bazında detaylı sonuçlar da elde edilmiştir.
Analitik doğrulama ile daha karmaşık modeller için izleneblecek yol adına da bir referans oluşturulmuş olur. Çünkü dokumalı kompozitlerde malzeme tamamen ihtiyaca yönelik olarak oluşturulur ancak bu durumda denkelmelerin genişletilmesine ihtiyaç duyulur. Analitik doğrulamanın ışığında denklemlerin kurulması ve nedenleri detaylıca ve adım adım açıklanmıştır. Bu nedenle de litaratüre referans olabilecek şekilde çalışmanın bu kısmı tamamlanmıştır.
Son doğrulama adımı ise bilgisayar destekli simülasyonlarla yapılmıştır. Bu analizlerde hem genel parça davranışı incelenmiştir hem de katmanlar bazında da bir sonuç alınabilmiştir. Böylelikle hem fiziksel testteki sonuçlar hem de analitik hesaplamalar sonucu elde edilen sonçuçların karşılıklı bir doğrulaması yapılmış ve iki aşamalı bir sağlama da gerçekleştirilmiştir.
Bilgisayarlı doğrulama ise fiziksel testi ve analitik hesabı doğrulamanın yanında bizlere kurulan modelin de aslında doğruluğunu gösterir. Bu da yine bir başka malzeme yapısı için benzer bir model kurmak gerektiğinde litaratüre bir referans olacaktır. Bu nedenle simülasyonun da her aşaması adım adım açıklanmıştır ki benzer durumlarda başvurulacak bir kaynak olabilsin.
Tüm bu doğrulama yöntemlerine ileve olarak, hasarlı numuneler incelenmiş ve katman yönlenmelerine göre aldıkları yüklere istinaden oluşan hasarlar yorumlanmıştır. Kompozitler için uygulanan hasar kriterleri ışığında bilgisayar ortamında hasar analizleri yapılıp hasar oluşumu ve ilerlemesi gözlenmiştir. Analizler sonucu ortaya çıkan hasar mekanikleri fiziksel test sonucunda elde edilen hasarlı parçalar ile kıyaslanmış ve hasar durumuna göre de bir doğrulama yapılmıştır. Böylelikle kurulan simülasyon modelinin çalışması ve verdiği sonuçların yakınsaklığı bir aşama ile daha doğrulanmıştır. 
Hasar analizinin önemli bir avantajı daha hasarın başlangıç noktalarını gösteriyor olmasıdır. Farklı özellikli numuneler bazında hasarın nasıl ortaya çıktığı ve nasıl ilerlediği ayrıca hangi noktaya kadar ilerlediği önemli bir inceleme aşamasıdır. Buna paralel olarak kırılma doğrultusunun da görüntülebilir olması bu analizin sağladığı faydalardan biridir. Bu analizin fiziksel tset sonucunda elde edilen hasarlı parçalarla karşılaştırılmasının da sonuçları hem testi hem modeli hem de hasar kriterini doğrulamış olur.
Çalışmanın sonucunda ise farklı katman özelliklerine sahip kompozit numunelerin hangi türünün yapısının parça imalatında kullanılmasının daha sağlıklı olacağına dair yaklaşımlar ve sonuçlarla destekli öneriler yapılmıştır.

Abstract:
Today, depending on the rapidly developing technology, more complex structures have been started to be built with new production techniques in many areas of the industry. The increase in weight brought by complex structures has increased the power required to move this weight in mobile systems, and therefore both the fuel requirement and the damage of the residual gases to the environment have increased.
It is of critical importance that the industry, which has developed as a result of the current trend and the source researches for the future, evolves in the opposite direction and continues its development in the fields of healthy living conditions, productivity and economy.
For these reasons, the first step was made in terms of lightening, and instead of classical metals and alloys, composite materials that could provide the same operating conditions but were lighter were developed. Parts and components made of composite materials are actively used in many areas of our lives today.
However, the effect of this mitigation did not sufficiently prevent the acceleration of the harmful environmental impact arising from the development of the industry. Today, the use of composites is still not widespread enough in every field. Therefore, a new step has been taken in the composite industry and recyclable composites have begun to be produced.
Many validation and analysis studies on composites, which have been and are being done, are available in the literature. In parallel with these, there are not enough studies in the literature for recyclable composites that have started to become widespread.
Within the scope of this thesis, a validation study was conducted for the Elium-based composite material developed and produced by Arkema. With this material, a study has been carried out on reproducing the cabin support part of Mercedes Benz trucks, which currently have steel material, and using the old one in the same way and in the task, as a lighter weight. In general, a study has been conducted with both vehicle mitigation and less environmentally harmful manufacturability targets.
Within the study, this verification process started on the basis of samples. First of all, samples with different layer properties were subjected to tensile, compression and bending tests. After these tests, an analytical calculation study was carried out, which was combined with the test scenarios, using the known joint details for all samples. Thus, the loads on the samples and their layers could be calculated. In addition to these, the tests were modeled in the computer aided analysis program and the results were examined under the same test scenario, both at the general level and at the layer level.

Considering these stages, this study is the first comprehensive validation study of a recyclable composite material in the literature with both physical testing, analytical calculation and computer-aided simulation.
The physical tests performed as the first step of the verification were carried out in the materials testing laboratory of the Faculty of Mechanical Engineering of Istanbul Technical University. Basic material tests were applied to the samples received here and many repetitions were made. Tensile test, compression test and bending test were completed with the samples prepared in accordance with the standards and the established system. The results of the tests were transferred to the computer, and it provided the opportunity to examine the data later and to evaluate it multiple times. Damaged samples were photographed in the test background and recorded according to the sample type.
At this stage, design constraints on the basic properties of the new material were determined. Characteristic properties such as modulus of elasticity, breaking strength, tensile strength, compressive strength, yield strength and poisson's ratio were revealed as a result of combining the data obtained from different physical tests. These determined features help to define the design conditions and limits of the tested sample type.
In the second stage, mathematical calculations were made with the fiber properties, matrix properties, composition ratio, layer structures and forces in the loading scenarios where physical tests were applied. These calculations were repeated for all samples in accordance with each orientation type for each layer. Thus, in addition to the general part results obtained in the physical test, detailed results were obtained on the basis of layers.
With analytical verification, a reference is also created for the path to be followed for more complex models. Because in woven composites, the material is created completely according to needs, but in this case, the equations need to be expanded. In the light of analytical verification, the establishment of the equations and their reasons are explained in detail and step by step. For this reason, this part of the study has been completed so that it can be a reference to the literature.
The final validation step was done with computer aided simulations. In these analyzes, both the general part behavior was examined and a result could be obtained on the basis of layers. Thus, a mutual verification of the results obtained as a result of both the results in the physical test and the analytical calculations was made and a two-step verification was also carried out.
Computerized verification, on the other hand, shows us the correctness of the established model, as well as verifying the physical test and analytical calculation. This will be a reference to the literature when it is necessary to establish a similar model for another material structure. For this reason, every stage of the simulation is explained step by step so that it can be a reference in similar situations.
In addition to all these verification methods, the damaged samples were examined and the damages due to the loads they received according to the layer orientations were interpreted. In the light of the damage criteria applied for composites, damage analyzes were made in the computer environment and damage formation and progression were observed. The damage mechanics that emerged as a result of the analyzes were compared with the damaged parts obtained as a result of the physical test and a verification was made according to the damage condition. Thus, the operation of the established simulation model and the convergence of the results were confirmed with one more step.
Another important advantage of the damage analysis is that it shows the starting points of the damage. How the damage occurs and how it progresses on the basis of samples with different characteristics, and to what point it has progressed is an important stage of investigation. Parallel to this, the fact that the refraction direction can be displayed is one of the benefits of this analysis. The results of comparing this analysis with the damaged parts obtained as a result of the physical test, confirm both the test, the model and the damage criterion.
As a result of the study, suggestions were made, supported by approaches and results, about which type of composite samples with different layer properties would be healthier to use in the manufacture of parts.