Negatif Poisson oranına sahip bir mikro-kafes yapının tasarımı ve analizi
Design and analysis of a micro-lattice structure with negative Poisson' s ratio
Yazar: ASLI IŞILTAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MESUT KIRCA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde, hızla ilerleyen teknolojinin çağımızdaki gelişmelere katkısı muazzamdır. Hemen her bilim dalı bu teknolojik gelişmelerden etkilenir. Mühendislik bilimi de tabii ki bu değişimden hem faydalanır hem de etkilenir. Artık hız kazanan gelişmelerle mühendisliğin uygulama alanları kat be kat artmış, çok farklı bilim dallarıyla birarada çalışmalar yapan, multidisipliner bir yaklaşım benimsenmiştir.
Yüksek mukavemet, dokuya uyum, hafiflik, darbe sönümleme gibi özelliklerde üstün olan malzeme gruplarından biri gözenekli malzemelerdir. Bunlar da kendi içlerinde gruplara ayrılırlar.
Gözenekli malzemeleri; bal peteği yapılar, köpük malzemeler ve mikro-kafes yapılar olarak genel anlamda üç gruba ayırabiliriz.
Gösterdikleri çeşitli özelliklere göre de gözenekli malzemeleri sınıflandırmak mümkündür. Bu özelliklerden bir tanesi negatif Poisson oranıdır. Doğal ya da yapay birçok malzeme pozitif Poisson oranına sahiptir ve tasarım yapılırken bu özellik dikkate alınmaktadır. Fakat doğada çok az sayıdaki malzeme negatif Poisson oranına sahiptir. Bunun anlamı çekme ve basma kuvveti altında, kuvvetin uygulandığı doğrultuya dik eksenlerde sırasıyla genişleme ve daralma gerçekleşmesidir.
Bu çalışma kapsamında incelenecek malzeme türü olarak mikro-kafes yapılar ele alınmıştır. Negatif Poisson oranına sahip yeni bir mikro-kafes yapı tasarımı ve bununla ilgili analizler gerçekleştirilmiştir.
Öncelikle kapsamlı bir literatür araştırması yapılmıştır. Literatürde pratikte imal edilmiş ya da teoride tasarlanmış mikro-kafes yapılar hangileridir, ne amaçla imal edilmiş ya da tasarlanmışlardır, bu mikro-kafes yapılardan beklenen özellikler nelerdir gibi sorulara yanıt bulmaya çalışılmıştır.
Literatür taramasından sonra, mikro-kafes yapının temelini oluşturacak plakanın tasarımına geçilmiştir. Öncelikli hedef negatif Poisson oranına sahip bir yapı elde etmektir. Bunun için birim hücre tasarımı mantığından ilerlenmiş, daha sonra birim hücrenin çoğaltılması yöntemiyle plaka yapı elde edilmiştir. Mikro bir yapı üzerine çalışıldığı için ölçüler buna uygun olarak verilmiş ve çekme kuvveti altında, kuvvetin uygulandığı doğrultuya dik olan eksende dışa doğru bir açılma yakalayacak bir yapı tasarımı üzerine gidilmiştir.
Plaka yapı tasarımından sonra sıra üç boyutlu mikro-kafes yapı tasarımına gelmiştir. Burda da tıpkı plaka yapı tasarımında olduğu gibi, çekme kuvveti altında, kuvvetin uygulandığı doğrultuya dik olan eksenlerde dışa doğru bir açılma yakalayacak bir yapı tasarımı üzerine gidilmiştir.
İstenen üç boyutlu mikro-kafes yapı tasarımı da tamamlandıktan sonra, yapının Poisson oranı hesaplanmıştır. Amaçlandığı gibi, kafes yapının negatif Poisson oranına sahip olduğu gösterilmiştir.
Tasarım aşaması tamamlandıktan sonra ise, analiz aşamasına geçilmiştir. Tasarlanan üç boyutlu mikro-kafes yapı üzerinde bazı analizler yapılarak, yapının kabiliyeti ölçülmek istenmiştir.
İlk yapılan analiz çekme analizidir. Bu analiz sayesinde üç boyutlu mikro-kafes yapının nasıl bir deformasyona uğradığı tespit edildi ve buna bağlı olarak yapının hangi kısımlarında ne kadarlık bir gerilmenin oluştuğu belirlendi.
Daha sonra yapılan analiz ise basma analizidir. Bu analiz kapsamında da yapının gerilme-şekil değiştirme diyagramı oluşturulmuş ve basma kuvvetine karşı nasıl bir davranış sergilediği ve nasıl deforme olduğu irdelenmiştir. Aynı zamanda çekme ve basma analizlerinden çıkan sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmış ve çekme davranışı ile basma davranışı arasındaki farklar ortaya konulmuştur.
Diğer yapılan yapısal analiz ise darbe analizidir. Darbe analizi ile tasarlanan üç boyutlu mikro-kafes yapının darbe sönümleme özelliği ölçülmek ve gerekiyorsa daha da iyileştirilmek istenmiştir. Darbe analizi esnasında, darbe etkisini yaratacak malzeme rijit bir plaka olarak seçilmiştir. Bu plakanın mikro-kafes yapıya çarpması sonucu oluşan deformasyon veri olarak elde edilmiştir. Darbe analizi, farklı hızlarda tekrar edilmiş, yapının farklı hızlara verdiği davranışlar karşılaştırılmalı olarak yorumlanmıştır.

Abstract:
Nowadays, it is enormous that the contribution of the rapidly advancing technology to the developments in our age. Almost every science is affected by these technological developments, engineering, of course, both benefits from these developments and is affected also. Now, the application areas of engineering have been increased so much more and multidisciplinary approaches have been adopted, which work together with many different branches of science.
The developments in this area require that the material to be produced and used on living being should conformance as much as possible to the region to be applied or used. For this reason, both the type and characteristics of the material to be used are important. However, how the material designed is also significant. It should be suitable for the tissue to be used and it should continue to fit in the long term. Material life should be as long as possible.
Another example is the aviation and defense industry. It is very important to use light materials in aviation and defense industry. In addition to this, high-strength and long-lasting materials are necessary in these industries. But this is not just about choosing the right material, for example, composite materials are used predominantly in the aerospace and defense industry, but unfortunately it is not enough for today. At the same time, with design of the material should be improved and it should become lighter when it is stronger. The material and its design should make easy in using, in other words, the assembly and disassembly processes should be quick and easy.
Given examples can be increased. There are many examples in today's world.
One of the group of materials that have some properties such as high strength, tissue adaptation, lightness, high impact damping and high energy absorption is porous materials. These are also divided into groups in themselves. In general, they have pores in the micro level and their porosity is higher compared to the materials that called normal. Therefore, these materials are distinguished thanks to lightness. On the other hand, due to the high surface/volume ratio, the impact damping and energy absorption capabilities are very good. Since many of the structure in the nature are also porous, they have a compatible tissue to the nature. It gets the edge over about living body.
Porous materials can be divided into groups, in general; honeycomb structures, foam materials and micro-lattice structures.
It is possible to categorize porous materials in their various properties. One of these properties is the negative Poisson's ratio. Many natural or artificial materials have a positive Poisson's ratio and it is considered when the structure is designed. But in
nature very few materials have a negative Poisson's ratio. It's mean that under the force of tensile or compression, the expansion or the contraction takes place in axes that are perpendicular to the direction in which force is applied.
In this study, micro-lattice structures are discussed as material type to be investigated. A new micro-lattice structure has been designed wtih negative Poisson's ratio and related analyzes have been made.
Firstly, a comprehensive literature search has been done. In the literature, micro-lattice structures, which are fabricated or theoretically designed, have been investigated and tried to find answers to questions such as what purpose is designed or fabricated and what properties are expected from these micro-lattice structures.
After the literature review, the plate structure design that compose the micro-lattice structure has been started. The primary goal is to obtain a structure with a negative Poisson's ratio. For this reason, previously, the unit cell has been designed and then the plate structure has been obtained by multiplying the unit cell. As a microstructure has been studied, the dimensions have been given accordingly and the structure has been designed to obtain outward opening in the axis that is perpendicular to the direction in which the force is applied under a tensile force.
The plate structure design has been followed by micro-lattice design. As in the plate structure design, under a tensile force, a structure has been designed to obtain an outward opening in the axes that are perpendicular to the direction in which the force has been applied.
After the desired three-dimensional micro-lattice structure design has been completed, the Poisson's ratio of this structure is calculated. As intended, the lattice structure has been shown to have a negative Poisson's ratio.
Afterwards, the design phase has been completed, the analysis phase has been passed. It is desired to define the ability of the structure by making some analyzes on the designed three-dimensional micro-lattice structure. In this way, it can be determined which areas will be more suitable for using of the structure and what issues should be improved in future work.
The firstly analysis is the tensile analysis. Through this analysis, it has been determined how the three-dimensional micro-lattice structure has been deformed and it has been determined sections stresses of the structure.
Then, the press analysis has been done. Through this analysis, the stress strain diagram has been obtained and so it has been determined that the reaction of the micro-lattice structure to the press analysis. Also, tensile and press analyzes' results have been compared.
Another structural analysis is the impact analysis. It is desired to define and if necessary improve the impact damping property of the three-dimensional micro-lattice structure designed by impact analysis. During the impact analysis, the material to obtain the impact effect has been determined as a rigid plate. The deformation datas have been obtained from impact between micro-lattice and rigid plate. Impact analysis has been done with different initial velocities. Then, all results have been compared with each other.
Through this thesis, it is primary targeted that a micro-lattice structure with a negative Poisson's ratio is designed. The analyzes done and the results obtained
show that the generated three-dimensional micro-lattice structure has a negative Poisson's ratio. Therefore, the thesis has reached its primary goal.
In addition to the property of having a negative Poisson's ratio, it is desirable that the impact absorbing effect is higher and the micro-lattice structures have widely usage area and use potential.
The impact damping ability of the micro-lattice structure designed is determined by the analyzes done. In future study, the goal may be to make improvements in this ability.
Improving the negative Poisson's ratio value of the micro-lattice structure can also be considered in future studies.