Filaman sarım yöntemi ile üretilmiş kompozit boruların darbe davranışlarının araştırılması
Investigation on impact behavior of composite pipes produced by filament winding method
Yazar: MEVLÜT HAKAN
Danışman: PROF. DR. RECEP GÜNEŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Karbon fiber takviyeli polimer = Carbon fiber reinforced polymer ; Katmanlı malzeme tanımlanması = Layered material characterization

Özet:
Kompozit malzemeler ile yüksek mekanik ve termal özellikler elde edilebilmekte ve bu özelliklerin farklı geometrideki karmaşık yapılara uygulanabilirliği önem kazanmaktadır. Farklı geometrik şekilli kompozit yapıların üretilmek istenmesi, otomasyon kontrol üniteleri ve kompozit yapısal analizlerinin gelişmesi ile birlikte, filaman sarım metodunun ortaya çıkmasına, böylece daha karmaşık geometrili kompozit tasarımların üretilmesine olanak sağlamıştır.  Filaman sarım metoduyla düşük maliyetle yüksek üretim hızlarında ve yüksek fiber hacim oranlarında farklı endüstriyel alanların ihtiyacı olan borular/tüpler, basınçlı kaplar, yakıt tankları, füze gövdeleri, roket motorları, direkler gibi eksenel simetrik geometriye sahip ürünler üretilebilmektedir. Bu ürünlerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi, özellikle de dinamik yükleme şartları altında hasar davranışlarının bilinmesi oldukça önemlidir.
Bu çalışmada karbon fiber takviyeli kompozit boruların düşük hızlı darbe davranışı deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel kısımda filaman sarım yöntemiyle üretilen test numunelerinin çekme, basma, kesme, eksen dışı çekme, döngüsel yükleme/boşaltma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ara-yüzey ayrılma kriterlerini belirlemeye yönelik DCB/ENF deneyleri gerçekleştirilerek karakterizasyon çalışması tamamlanmıştır. Karakterizasyon testlerinden sonra düşük hızlı darbe deneyleri gerçekleştirilmiştir.
Sayısal kısımda kompozit boruların düşük hızlı darbe davranışı Amerika Ulusal Havacılık ve Uzay dairesi (NASA) tarafından yeni geliştirilmekte olan Genelleştirilmiş Ortotropik Elasto Plastik Hasar malzeme modeli kullanılarak, lineer olmayan sonlu elemanlar yöntemi ile araştırılmıştır. Çalışmada, düşük hızlı darbe altındaki kompozit boru, deformasyon, hasar oluşumu ve kırılma hasarı olmak üzere üç alt model kullanarak incelenmiştir. Deformasyon alt modeli, deformasyon veya hasar oluşumu mekanizmaları nedeniyle kompozitin doğrusal olmayan cevabını simüle ederken, hasar alt modeli rijitlikteki azalma ile doğrusal olmayan boşaltma/yeniden yüklemeyi simüle eder. Kırılma alt modeli ise bir gerilme/şekil değiştirme Gauss noktasında kırılma kriterinin ne zaman karşılandığını tahmin eder ve elamanı uygun şekilde siler. Bu kısımda gerekli olan malzeme özellikleri deneysel kısımda yapılan karakterizasyon çalışmalarından elde edilmiştir. Çalışmada filaman sarım yöntemi ile üretilen kompozit boruların düşük hızlı darbe deneylerinden elde edilen davranışı ile sayısal modellemeden elde edilen sonuçlar arasında iyi bir uyum yakalanmıştır.

Abstract:
Composite materials can achieve high mechanical and thermal properties, and the applicability of these properties to complex structures with different geometries is gaining importance. The desire to produce composite structures with different geometric shapes, together with the development of automation control units and composite structural analysis, led to the emergence of the filament winding method, thus enabling the production of composite designs with more complex geometries. Through the filament winding method, products with axisymmetric geometry such as pipes/tubes, pressure vessels, fuel tanks, missile bodies, rocket engines, poles, etc., which are required by different industrial fields, can be produced at high production speeds and high fiber volume ratios at low cost. It is essential to determine the mechanical properties of these products, especially to know their damage behavior under dynamic loading conditions.
In this study, the low velocity impact behavior of carbon fiber reinforced composite pipes was investigated experimentally and numerically. In the experimental studies, tensile, compression, shear, off-axis tensile, cyclic loading/unloading tests of test specimens produced by filament winding method were carried out. The characterization study was completed by performing DCB/ENF experiments to determine the inter-laminar failure criteria. After the characterization tests, low velocity impact tests were carried out.
In the numerical studies, the low velocity impact behavior of composite pipes is investigated by a non-linear finite element method using the Generalized Orthotropic Elasto-Plastic Damage material model, which has been recently developed by the US National Aeronautics and Space Administration (NASA). In this study, the composite pipe is analyzed using three sub-models: deformation, damage, and failure. The deformation sub-model simulates the nonlinear response of the composite due to plastic deformation or damage formation mechanisms, while the damage sub-model simulates nonlinear unloading/reloading with a reduction in stiffness. The fracture sub-model predicts when the fracture criterion is met at a stress/strain Gauss point and deletes the element accordingly. The material properties required in this section were obtained from the characterization studies carried out in the experimental section. In the study, a good agreement was obtained between the behavior of the composite pipes produced by filament winding method obtained from low velocity impact tests and the results obtained from numerical modelling.