Ökzetik (auxetic) çok hücreli kiriş yapıların eğilme davranışı

Son yıllarda ince cidarlı kiriş yapılar, hafif, mükemmel yük taşıma kabiliyeti ve enerji absorbe edici özelliği yanında, uygun maliyet avantajı nedeniyle havacılık, uzay, askeri, otomotiv ve inşaat gibi birçok mühendislik uygulamalarında yaygın bir şekilde tercih edilmektedir. Kara ve hava taşıtlarının kazaya maruz kalması halinde hem dinamik hem de statik dış yüklemelerden oluşan karmaşık zorlanmaların etkisinde taşıtın yapısal bütünlüğünün bozulmasının yanı sıra, parçaların da hasara uğraması söz konusu olduğundan, mühendislik uygulamalarında yapısal bütünlüğün korunması en önemli başlıklar arasındadır. Genelde yüksek mekanik beklentiler beraberinde yapıların ağırlık artışına yol açması, sadece taşıtların performansını düşürmekle kalmaz, aynı zamanda yakıt tüketiminde de artışa yol açar. Bu nedenle, yük taşıyıcı elemanların mekanik verim açısından geliştirilmesi için farklı geometriler önerilmiştir. Petek yapılar, altıgen veya düzenli çokgen şekilli, birbirine bağlı hücrelerden oluşan geometrilerden oluşur. Bu yapılar, mühendislik uygulamaların birçok alanında kullanılmasının nedeni, diğer geometrilere göre daha düşük ağırlıkla, daha yüksek yük taşıma (yüksek mekanik verim) kabiliyeti sergilemesidir. İnce cidarlı kiriş yapıların mekanik performansın arttırılmasında, kesiti petek yapıya sahip uygulamaların bulunmasına rağmen, bu yapıların yeteri hafiflikte ve aynı zamanda rijit ve yük taşıma kabiliyeti kombinasyonları sınırlıdır. Dolayısıyla, yüksek mekanik verime sahip özgün tasarımla birlikte, yeni malzeme türlerinin de geliştirilmesi kaçınılmazdır. Ökzetik yapı/malzemeler negatif Poisson oranına sahip olmaları nedeniyle, geleneksel malzemelerden farklı olarak, çekme gerilmesi altında genişleme, basma gerilmesi altında ise daralma eğilimi gösterir. Ökzetik malzemeler, nadiren doğada bulunan yapılarda örneğin ağaç özü, mercanlar ve süngerlerin mikro yapılarında gözlemlenmektedir. Ökzetik malzemelerin bu mükemmel mekanik özellikleri taklit edilerek yapısal hasarların azaltılması veya ortadan kaldırılmasıyla, mühendislik tasarımlarında mekanik verim açısından daha yüksek performanslar elde edilmiştir. Bu kapsamda bir dizi ökzetik malzeme ve yapılar keşfedilmiş, teorik olarak tasarlanarak üretimi yapılmıştır. Katmanlı imalat (Kİ) tekniklerindeki gelişmeler, karmaşık hücresel mimarilere sahip malzemelerin üretilmesini mümkün kılmıştır. Doktora tez çalışmasında, eğilme yükü altında çalışan kirişler için hafif ve yük taşıma kabiliyeti yüksek kesitlerin geliştirilmesine odaklanılmıştır. Pozitif ve negatif Poisson oranına sahip petek yapılar ile kesiti en az farklı iki petek hücrelerden meydana gelmiş hibrit yapıların eğilme zorlanması altında deformasyon davranışları, yük taşıma ve enerji absorbe etme kabiliyetlerinin deneysel, sayısal ve teorik olarak incelenmiştir. Çalışma üç ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, içi boş ince cidarlı kiriş yapının üç nokta eğme davranışı altında sergilediği deformasyon davranışı ve mekanik performansı detaylı olarak incelenmiş ve hasara uğrama nedeni detaylı olarak ele alınmıştır. Daha sonra, kiriş boyutları aynı olan, aynı hücre sayısı ve yüksekliği için kesiti kare (kare), altıgen (6gen), sekizgen (8gen) ve ökzetik (Aux) çok hücreli kiriş yapıların eğilme davranışı sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmiştir. Doğrusal olmayan sonlu eleman kodu LS-DYNA kullanılarak negatif ve pozitif kiriş kesitlerine sahip yapılar arasındaki yük taşıma ve enerji absorbe etme kabiliyetleri karşılaştırmalı bir çalışması yapılmıştır. Kurulan sonlu elemanlar analiz sonuçları, katmanlı imalat yöntemiyle 316L paslanmaz çelikten üretilen (Doğrudan Ergitme Lazer Sinterleme -DMLS) ökzetik kesite sahip Aux kiriş yapının deneysel eğme sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sonlu elemanlar yönteminde kullanılan malzeme parametreleri aynı şekilde katmanlı imalat yöntemiyle ASTM E8/E8M–15a standartlarına göre çekme testlerinden elde edilen veriler kullanılmıştır. Yapılan değerlendirmeler sonucunda, analiz ve deney sonuçlarının iyi bir uyuma sahip olduğu görülmüştür. İçi boş kiriş yapısında (BT), mandrelin temas alanındaki burkulma ve katlanma etkisiyle parçanın üst köşesinde kırılmanın meydana geldiğini göstermiştir. Kare, 6gen ve 8gen kiriş yapıları için kırılma, girintinin temas ettiği üst bölgelerdeki hücre cidarlarının burkulmanın neden olduğu lokalize stres nedeniyle meydana gelmiştir. Öte yandan, ökzetik hücrelerden oluşan yapının kesiti eğilme yükü altında yanal olarak daha az şekil değiştirmiş, cidarların merkeze doğru yönlendiği tespit edilmiştir. Böylece, yüksek deplasmana rağmen, yerel burkulma etkisi en aza indirilebilmiştir. Bu durum, kesit atalet momentindeki düşüşün sınırlı kalmasına sağlamıştır. Sonuç olarak yük taşıma kabiliyeti ve buna bağlı olarak enerji absorbe etme kapasitesi daha yüksek olan bir yapı elde edilmiştir. İncelenen farklı hücre kesitlerinin performansının değerlendirilmesinde kiriş hacmi ve hasar deplasmanının kesit atalet momentindeki değişim etkisi incelenerek boyutsuz bir büyüklük "hasar duyarlılığı" (HD) tanımlanmıştır. Sonuçlara göre, hesaplanan "Hasara duyarlılık" değeri beklendiği üzere, içi boş kiriş (BT) için en yüksek ve içi dolu kesit için ise en düşük olduğu görülmüştür. Aux kiriş, çok hücreli kiriş yapılar arasında hasar duyarlılığı en düşük olan yapıdır. Ayrıca, içi dolu kirişe göre yapıların mekanik özelliklerini ifade etmek için bir diğer yaklaşım olarak, çok hücreli yapının hasar duyarlılığının içi dolu yapının hasar duyarlılığına oranlanmasıyla eğilme performansı indeksi (EPI) tanımlanmıştır. Aux kirişin benzer şekilde EPI değeri, içi dolu kirişten sonra en iyi olduğu tespit edilmiştir. Yapılan incelemeler neticesinde Aux yapının spesifik yük taşıma (SYT) kapasitesi 6gen, kare ve 8gen kiriş yapılarından sırasıyla %45,6, %29 ve %11,4 daha yüksektir. Ayrıca, spesifik enerji absorbe (SEA) kapasitesi açısından da 6gen, Kare ve 8gen petek kirişli çok hücreli kirişten sırasıyla 11.3, 3.8 ve 1.8 kat daha iyi performans göstermiştir. Buna göre, ökzetik kesitin yüksek deformasyon altında daha yüksek mekanik performans sergilediği anlaşılmıştır. İlginç bir şekilde ilk bölümde, kiriş kesitinin negatif Poisson oranına sahip hücrelerden oluşturulması, kesitteki deformasyon yönünü değiştirebileceğini ve yapının daha uzun deplasmanlarda yük taşıma kabiliyetini sürdürdüğü tespit edilmiştir. İkinci bölümde çalışma, ökzetik hücre kol açısının ve cidar kalınlığının fonksiyonel olarak derecelendirilmesinin kiriş performansına olan etkisi üzerine yoğunlaşmıştır. Bu kapsamda ökzetik hücrelerin kiriş ekseni boyunca yönlendirildiği kiriş yapısının 55, 65,75 ve 85 derece kol açısı ve üç tip fonksiyonel olarak derecelendirme durumu için cidar kalınlığının etkisi deneysel ve sayısal olarak sistematik biçimde incelenmiştir. Kiriş ağırlığın sabit tutulması şartıyla birim hücre kolunun açısının arttırılmasıyla, Aux kiriş kesitinin negatif Poisson oranında değişim meydana getirmesiyle beraber kiriş yapının yük taşıma kabiliyeti ve enerji absorbe etme yeteneğinin belli bir noktaya kadar iyileşmesinde faydalı olduğu görülmüştür. Hücre kol açısının daha büyük değerler alması kirişin eğilme performansında sınırlı bir iyileştirme sağlamasına rağmen daha düşük deplasmanlarda hasar meydana gelmiştir. Birim hücre cidar açısının 55 dereceden 75 dereceye çıkarılmasıyla Aux kiriş yapının eğilme performansı SYT ve SEA'sında sırasıyla %11 ve %12.4 oranında iyileşme sağladığı bulunmuştur. Elde edilen en iyi hücre açısı (75) esas alınarak yapının hücre kolu kalınlıkları tarafsız eksenden dış cidara doğru fonksiyonel derecelendirilerek arttırılması halinde ise ağırlıkta artışa rağmen, spesifik değerlerde, SYT ve SEA sırasıyla %19.4 ve %25.4 gibi daha ileri iyileştirmelerin gerçekleştirilebilmesi mümkün olduğu anlaşılmaktadır. Üçüncü bölümde ise, Aux çok hücreli kirişlerin ile ökzetik ve sekizgen hücreli yani hibrit (AuxOcta) bir (literatür için yeni) kiriş tasarım üzerinde durulmuştur. Ökzetik yapılar 316L paslanmaz çelik ile DMLS katmanlı imalat yöntemiyle üretilmişlerdir. Üç nokta eğme testi sonuçları, Aux kiriş yapının kesitin de kademeli lokal deformasyon gösterdiğini, AuxOcta kirişin kesitindeki hücrelerinin ise deformasyonun kesitin geneline yayıldığı tespit edilmiştir. Ayrıca, AuxOcta yapının yük taşıma ve enerji absorbe etme kapasitelerini iyileştirmek için hücre cidar kalınlıkları tarafsız eksenden dış cidara doğru optimize edilmiştir. Bu optimize edilmiş AuxOcta yapısı (AuxOcta-G) test sonuçlarına göre üstün eğilme performansı sunmaktadır. Aux yapısı ile karşılaştırıldığında, yukarıdaki AuxOcta-G yapısının özgül yük taşıma (SLC) kapasitesindeki iyileşme 5 mm deplasman için %15 iken, özgül enerji absorbe etme (SEA) kabiliyetindeki iyileşme yaklaşık %16'ya ulaşmaktadır. Sonlu Elemanlar Metodu (SEM) sonuçları, AuxOcta ve AuxOcta-G yapılarının geniş bir deplasman aralığında tercih edilen bir deformasyon davranışı sunduğunu göstermiştir. Bu çalışma, negatif Poisson oranlı kesite sahip ökzetik ve/veya hibrit kiriş tasarımının gelecekteki araştırmaları için bir temel oluşturması beklenmektedir.