Üzerinde kesitler olan geleneksel ve geleneksel olmayan silindirik karbon fiber kompozit polimer kabuğun bileşik yükleme altında tasarım, analiz ve doğrulanması

Havacılık, uzay ve otomotiv sektöründe, karbon fiber takviyeli kompozit malzemelerin kullanımı son yıllarda ivmelenerek artmaktadır. Geleneksel fiber oryantasyonu ile üretilmiş olan olan kompozitlerin yanında, fiber açıları uzaysal olarak değişen yönlendirilmiş fiber oryantasyonlu kompozitlere olan ilgi hızla artmakta ve birçok araştırmacı ve ticari firma bu konularda çalışmaktadırlar. Karbon fiber takviyeli compozitler metallere göre daha yüksek özgül mukavemet ve katılığa sahiptirler, ayrıca daha hafif olmalarından dolayı da, kompozitler metallere göre önemli avantajlara sahiptirler. Geleneksel fiber takviyeli katmanlı kompozitlerde, katmanlar standart 0, 90 and 45 derecelik katmanlardan oluşurlar. Bu fiber açılarının kullanılmasının sebebi, fiber takviyeli polimer kompozit malzemelerin ilk kullanıma başladığı dönemlerde üretimlerin elle yapılmasından dolayı karşılaşılan üretim zorluklarından kaynaklanmaktadır. Son yıllarda geliştirilen otomatik fiber yerleştirme makineleri ile standart açılı fiber katmanlara ilave olarak istenen her açıda fiber yerleşimi sağlanabildiği gibi, yönlendirilmiş fiberlere sahip kompozit malzemelerin üretilmesine de olanak sağlanmış oldu. Yönlendirilmiş fiberler, bir katmandaki fiberlerin açılarının sabit olmayıp uzaysal olarak değişmesini içermektedir. Bu nedenle yönlendirilmiş şekilde tasarlanmış olan kompozitlerde katılık da uzaysal olarak değişmektedir ve değişken-katılığa sahip kompozitler olarak adlandırılırlar. Değişken-katılıklı kompozitlerde amaç yapının mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi, kompozitin kalınlık veya ağırlığının azaltılmasıdır. Değişken katılıklı sahip kompozitlerle ilgili düz paneller, konik yapılar ve silindirik kompozit yapılarla ilgili gerçekleştirilmiş olan çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmalardan bazılarında üzerinde delikler bulunan kompozit paneller ile değişken katılık yöntemi ile tasarlanarak hasar yükünün artırılmasını hedefleyen örnekler de mevcuttur. Bu tezde, silindirik katmanlı kompozit bir yapıda, silindirin her iki yanına simetrik olarak açılan dairesel pencerelerin bileşik yükleme altındaki, sabit-katılıklı (geleneksel) ve değişken-katılıklı (geleneksel olmayan) kompozitlerde hasar yükü ve hasar şekline olan etkisi incelenmiştir. Silindirik kabuk üzerine açılan dairesel pencerelerin yerleşimi ve çapları değiştirilerek analizler gerçekleştirilmiş ve sonuçları tablolar ve grafikler halinde sunulmuştur. Yapılan çalışmada elde edilen hasar durumlarına göre hasar modları oluşturulmuştur. Bu modlar incelendiğinde hasarın pencere ölçüsü ve yerleşimine göre farlı eğilimler izlediği tespit edilmiştir. Silindirlerin burkulma ve hasar karakteristiklerinin tespit edilebilmesi amacıyla lineer burkulma analizi, Riks metodu kullanılarak lineer olmayan analizler ve ilerlemeli hasar analizleri gerçekleştirilmiştir. Lineer olmayan analizler gerçekleştirilirken burkulma analizinden teorik olarak elde edilen geometrik kusurlar silindirik kabuğun kalınlığının % 10'u oranında analize dahil edilmiştir. Seçilen geometri ve pencere konfigürasyonun amacı bir uçak gövdesine benzer bir yapının simüle edilmesi nedeniyledir. Dairesel kompozit silindir 304.5 mm (12 in) çap ve 813 mm (32 in) uzunluğa sahiptir. Silindirin toplam kalınlığı ise 4.392 mm (0.173 in) dir. Eğilme yükü silindirin her iki ucundan uygulanarak, silindirin üst bölgesinin çekme, alt bölgesinin ise basma yüküne maruz kalması sağlanmıştır. Sayısal analizler gerçekleştirilirken ticari Sonlu Elemanlar Metodu (SEM) olan ABAQUS ve S4R eleman tipi kullanılmıştır. Modelleme yapılırken, sabit katılıklı silindirik kabuk için, her katmanda, katmanların dizilim sırası ve fiber oryantasyonlarının belirlendiği KOMPOZ˙IT modülü kullanılmıştır. Ancak yönledirilmiş fiberlere sahip değişken katılıklı silindirik kompozit için ilave hesaplamaların yaplması ve her katmanda bulunan tüm elemanlar için fiber oryantasyonunun ayrı ayrı hesaplanması gerekmektedir. Bu amaçla Pyhton kodu ve FORTRAN kullanılarak programlar yazılmış ve ABAQUS tarafından kullanılacak olan eleman oryantasyon bilgilerini içeren "DISTRIBUTION TABLE" oluşturulmuştur. Bu tezde yapılan çalışmada, silindirde çevresel olarak belirlenen noktalarda fiber oryantasyonları belirlenmiş ve daha sonra sabit eğim yöntemi kullanılarak bu noktalar arasında kalan herbir eleman için fiber oryantasyonları belirlenerek tablolar oluşturulmuştur. Modelde kullanılan S4R eleman tipi geometrik merkezinde bir integrasyon noktasına sahiptir. Tek integrasyon noktasına sahip olan bu eleman tipinin seçilmesinin sebebi, ilerlemeli hasar hesaplaması sırasında bir integrasyon noktasında hasarın tespit edilmesi durumunda hasarlanan elemanın kolaylıkla çıkarılmasının sağlanması ve böylelikle daha doğru bir sonuca ulaşabilmek içindir. Herbir elemanın fiber oryantasyonunun aktarılması için gerekli olan bu noktanın koordinatlarının tespiti için ise elemanın düğüm noktalarının koordinat bilgilerinden faydalanılmıştır. Python dilinde yazılmış bir programla, modele ait parametre değerleri (model geometrisi, mesh ölçüsü, malzeme özellikleri, katman dizilimleri, geometrik kusur oranı ve pencere ölçü ve lokasyonları) kullanılarak fiber oryantasyon tabloları ve ABAQUS'ün girdi dosyası oluşturulmuştur. Bahsedilen Pyhton kodu FORTRAN'da yazılan bir kodla interaktif olarak çalışmakta ve fiber oryantasyon tablolarını oluşturmaktadır. Bu tablolar ayrı bir dosyada oluşturulduğundan herhangi bir değişiklik durumunda orjinal ABAQUS girdi dosyasının değiştirilmesine gerek kalmamaktadır. İlerlemeli hasar analizleri sırasında ise Helius PFA ticari programı kullanılmıştır. Bu program, ABAQUS yazılımı ile entegre olmakta ve hasar analizi yapmasını sağlayacak olan çeşitli modül ve malzeme veri bankasından oluşmaktadır. Helius PFA hasar analizi Multi-continuum teorisine dayalı bir hasar kriterini kullanmaktadır. Ayrıca, bu programla Tsi-wu, Hashin, Larc gibi bilinen hasar kriterleri ile de analiz yapmak mümkün olmaktadır. Bu teze konu olan silindirik kompozitlerdeki pencereler için tanımlanan herbir ölçü ve lokasyon için ilerlemeli hasar analizleri yapılarak hasar modlarını içeren tablo ve grafikler oluşturulmuştur. Bu çalışmanın sonucunda eğilme yükü veya bileşik yükleme altındaki silindirler için temelde üç farklı hasar modunun olduğu tespit edilmiştir. Bunlardan ilki olan Mod I hasar tipi, silindirde oluşan global burkulmadan kaynaklı mukavemet kaybı sonucu oluşan hasar olarak tanımlanabilir. Mod II hasar tipi genel olarak, delik çevresinde oluşan burkulmadan kaynaklı mukavemet kaybı sonucu oluşan hasar olarak tanımlanabilir. Mod III hasar modunda ise, global veya yerel herhangi bir burkulma olmadan önce malzeme mukavemet hasarının delik çevresinde oluşan yüksek çekme veya basma gerilmelerinden dolayı hasarlanma oluşmasıdır. Test sonuçları ile sayısal analiz sonuçlarının karşılaştırılması, eğilme yükü altındaki silindirin uçlarındaki dönme miktarları ile belirli noktalardaki gerinimlerin karşılaştırılması ile gerçekleştirilmiştir. Değişken katılıklı silindir, eğilme yükü altında sabit katılıklı silindire göre daha mukavemetli olarak tasarlanmış olmasına ve daha yüksek eğilme yüküne dayanmasına rağmen, silindirlere belirli ölçülerde, örneğin 0.3R/120 (0.3R yarıçap ve 120'lik oryantasyon) ölçülerindeki pencere açıldığında, değişken katılıklı silindirde yönlendirilmiş fiberlerin mukavemete olan katkısının önemli ölçüde azaldığı anlaşılmıştır. Bunun sebebi, hasar modunda meydana gelen değişimden kaynaklanmaktadır. Pencereler silindirin tarafsız ekseninin altında, basmaya maruz kalan tarafta yer aldığında, hasar oluşumu, global burkulmanın aksine, deliklerin etrafında meydana gelen burkulma sonucunda meydana gelmektedir. Başlangıçta silindirler, üzerlerinde herhangi bir delik açılmamış halleriyle, eğilme yükü altında hasar yükünü artımaya yönelik olarak yönlendirilmiş fiberlerin optimizasyonu ile tasarlanmışlardır ve genel olarak global burkulma sonucu oluşan hasar modlarında (Mod I) etkili olmaktadırlar. Bu nedenle, belli bir çapın üzerinde ve silindirin basmaya maruz kalan tarafında silindirler üzerine delikler açıldığında yönlendirilmiş fiberlerin mukavemete olan katkısı önemli ölçüde azalmaktadır. Basit eğilme yükü altında yapılan bu analizlerden sonra bileşik yükleme altındaki analizler gerçekleştirildi. Bu analizler sırasında eğilme yüküne ilave olarak, bir ucundan ankastre sabitlenmiş silindirin diğer ucundan kesme kuvveti uygulandı. Kesme kuvveti neticesinde silindirin orta kısmında oluşan momentin değeri ugulanan eğilme momentinin 0.2 oranına ulaştığında, oluşan hasarda kesme kuvvetinin etkisinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Bileşik yükleme sırasında, kesme kuvvetinden dolayı silindirde burkulma meydana gelerek hasar oluşmasına sebep olmaktadır. Sayısal analizlerin tamamlanmasının ardından silindirler üzerine açılacak deliklerin yerleşimi ve ölçülerine karar verilmiş ve deliksiz olarak üretilmiş olan silindirlere bu pencereler açılmıştır. Sayısal analizler yapılırken teorik olarak hesaplanan kusurlar kullanıldığından, silindirlere delikler açıldıktan sonra DIC yöntemi kullanılarak silindirlerdeki gerçek kusurlar ölçülmüş ve sayısal analizler gerçek kusur değerleri kullanılarak tekrarlanmıştır. Eğilme testi yapılacak olan silindirler Boeing firması tarafından desteklenen bir proje ile otomatik fiber yerleştirme makinesi ile üretilmiştir. Ayrıca, eğilme testinin yapılabilmesi için gerekli olan fikstürler de daha önce bir doktora tezi kapsamında TU Delft üniversitesinde üretildiğinden bu fikstürler kullanılmıştır. Bu nedenle, oluşturulan bu model daha sonra Boeing firması ile TU Delft üniversitesine gönderilerek modeli incelemeleri ve silindirlere açılması için karar verilen pencere ölçülerinde kesimlerin yapılması sağlanmıştır. Testler sırasında silindir üzerindeki gerinimler ve yer değiştirmeler gerinim ölçerler ve DIC ile ölçülmüştür. Test sonuçları ile sayısal analiz sonuçları karşılaştırıldığında sonuçların birbirine oldukça yakın olduğu ve böylece model ve analizlerin geçerliliği doğrulanmış oldu. Bu tezde, üzerinde pencere kesitleri olan karbon fiber kompozit silindirlerin sonlu elemanlar yöntemiyle analizleri ve sonrasında da testleri yapılarak bu kesitlerin mukavemete ve hasar oluşumuna olan etkileri incelenmiş oldu. Sayısal analizler gerçekleştirilirken, ilerlemeli hasar analizlerinin dahil edilmesinin gerçeğe yakın sonuçların elde edilmesi için önemli olduğu tespit edilmiş oldu. Aksi takdirde test sonuçlarından daha yüksek hasar sonuçlarına ulaşılmaktadır. Bu sonuçlar gösterdi ki, üzerinde pencere kesitleri olan silindirik kompozit yapılar temel olarak üç tip hasar modu altında hasarlanmaktadırlar. Bu nedenle, üzerinde büyük ölçülerde delik olan silindirik havacılık yapılarının bu deliklerin ölçü ve oryantasyonlarının, hasarın delik kenarından burkularak başlayacak şekilde ayarlanmasının yapının hasar dayanımının artırılmasında önemli olduğu tespit edilmiştir.