Değişken katılıklı katmanlı kompozit plakların patlama yükü altında dinamik davranışının modellenmesi, analizi ve optimizasyonu
Modeling, analysis and optimization of the dynamic behavior of variable stiffness composite plates under blast load
Yazar: ERAY VARDAR
Danışman: DOÇ. DR. TUNCAY KARAÇAY
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Katılık = Solidity ; Kompozitler = Composites ; Modal analiz = Modal analysis ; Optimizasyon = Optimization ; Patlama yükü = Blast load

Özet:
ÖZET
Eğrisel fiberler ile oluşturulan katmanlı kompozit plakaların geliştirilmesi, yapıların mukavemet ve katılık gibi performanslarını iyileştirmek için çeşitli avantajlar sağlamaktadır. Değişken katılığa sahip katmanlı kompozitler katılık / kütle oranı avantajı sebebiyle havacılık, askeri ve akademik alanlarda büyük ilgi uyandırmaktadır. Bu kritik alanlarda kullanılabilmeleri sebebiyle değişken katılığa sahip katmanlı kompozit yapılar titreşim ve patlama yüklerine maruz kalabilmektedirler. Bu çalışmada değişken ve sabit katılığa sahip katmanlı kompozit plakaların modal analizi ve patlama yükü altındaki geçici dinamik analizi yapılmıştır. Bu çalışmaların devamında ise optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında kompozit plakanın değişken katılık modellemesi yapılmıştır. Plaka giriş ve orta nokta açılarına bağlı olarak lineer eğriler ile modeli oluşturan bir kod yazılmıştır. Bu kod ile serime bağlı olarak plakanın her bir birim noktasındaki fiber koordinatları ve açı değeri elde edilebilmektedir. Tezin bu aşamasında Python yazılımı kullanılmıştır. Titreşim yükü altında çalışan yapılarda modal karakteristiklerin belirlenmesi ve tasarımda mod frekans değerlerinin değiştirilebilmesi büyük öneme sahiptir. Teorik çalışmanın ikinci aşamasında değişken katılığa sahip katmanlı kompozit plakalar üzerine literatürde var olan bir çalışmanın modal analiz doğrulaması yapılmış ve çok yakın sonuçlar elde edilmiştir. Sonraki aşamada ise modal analiz optimizasyon çalışması yapılmış ve plakanın en yüksek birinci ve ikinci mod frekans değerini veren fiber serim açıları elde edilmiştir. Teorik çalışmanın üçüncü aşamasında ise değişken ve sabit katılığa sahip katmanlı kompozit plakaların patlama yükü altındaki geçici dinamik analizi sonlu elemanlar yöntemi ile yapılmıştır. Yapılan analizler literatürdeki faklı sayısal çalışmalar ile doğrulanmıştır. Bu çalışmaların ardından değişken ve sabit katılığa sahip plakaların patlama yükü altındaki geçici dinamik analiz optimizasyon çalışmaları yapılmış ve plakaların belirli bir noktasındaki yer değiştirme değerleri karşılaştırılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde değişken katılığa sahip katmanlı kompozit plakaların eşdeğer patlama yüklerinde sabit katılığa sahip kompozit plakalara göre yüksek katılık ve mukavemete sahip olduğu ve plakanın belirli bir noktasının yer değiştirme değerinin daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Bütün bu çalışmalarda ANSYS yazılımı ile sayısal sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır.

Abstract:
ABSTRACT
The development of laminated composite plates designed with curvilinear fibers offer several advantages to improve the performance of structures such as strength and stiffness. Variable Stiffness Composite Laminate arouse great interest in the aerospace, military, and academia due to their high stiffness/mass ratio. Since they can be used in these critical areas, Variable Stiffness Composite Laminates can be exposed to vibration and explosion loads. In this study, modal analysis of laminated composite plates with variable and constant stiffness and transient dynamic analysis under blast load have been performed. In the following of these studies, design optimization have been carried out. In the first stage of the study, variable stiffness modeling of the composite plate has been created. A code has been written that creates the model with linear curves depending on the plate entry and midpoint angles. With this code, fiber coordinates and angle values at each unit point of the plate can be obtained depending on the laying. At this stage of the thesis, Python software has been used. It is important to determine the modal characteristics in structures operating under vibration load and to be able to change the mode frequency values in the design. In the second stage of the theoretical study, modal analysis verification of a study in the literature on laminated composite plates with variable stiffness has been performed and very close results have been obtained. In the next stage, modal analysis optimization study has been carried out and fiber laying angles giving the highest first and second mode frequency values of the plate have been obtained. In the third stage of the theoretical study, the transient dynamic analysis of laminated composite plates with variable and constant stiffness under blast load has been carried out using the finite element method. The analyzes have been verified by different numerical studies in the literature. After these studies, transient dynamic analysis optimization studies have been carried out for plates with variable and constant stiffness under blast load and the displacement values at a certain point of the plates have been compared. According to results, it was determined that the laminated composite plates with variable stiffness had higher stiffness and strength than the composite plates with constant stiffness at equivalent burst loads, and the displacement value of a certain point of the plate was lower. In all these studies, numerical finite element method has been used via ANSYS software.