Karbon kompozitlerin cıvatalı ve yapıştırmalı bağlantılarında hasar analizi

İnsanoğlu, eski çağlardan bu yana ihtiyaçları doğrultusunda, iki farklı yapıdaki malzeme özelliklerini bir arada kullanmak için çalışmıştır. Bu çalışmaların en somut örneğini günümüzde kompozit malzemeler olarak görmekteyiz. Kompozit malzemelerin getirdiği hafiflik, tasarım esnekliği gibi avantajlarından dolayı kullanımı da günden güne artmaktadır. Kullanım alanlarının da genişlemesiyle birlikte kompozit malzemelerin birbirleriyle ve metallerle olan bağlantılarının yük altındaki davranışlarının incelenmesi ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Son 50 yılda yapılan çalışmalar da bu konudaki bilgi birikimini artırmıştır. Kompozitlerin birleştirilmesinde temel olarak iki farklı yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan ilki olan mekanik bağlantılar cıvata, perçin ve pimlerle gerçekleştirilirler. Literatürde farklı olarak kelebek tipi kamalarla yapılan mekanik bağlantılar olsa da bu çalışmalar henüz ticari bir üründe kullanılacak sonuçları vermemektedirler. Cıvatalı ve perçinli bağlantılar ise kabul görmüş ve günümüzde en sık tercih edilen bağlantı türleridir. Bunun sebebi birleştirme işleminin kolayca ve uzmanlık gerçekleştirmeden yapılabilmesi, kullanılan malzemelerin kolay ve ucuza temin edilebilmesi ve ortam şartlarına karşı daha toleranslı olmalarıdır. Fakat buna karşın bağlantının yapılabilmesi için açılması gereken deliklerin getirdiği ekstra işlem maliyeti, bağlantı elemanlarının ağırlıklarının sisteme ek ağırlık getirmeleri mekanik bağlantıların dezavantajları arasında gösterilebilir. Yapıştırmalı bağlantılar da ise mekanik bağlantıların aksine, parça üzerinde ekstra bir işlem yapılmaması, farklı mekanik özellikler için farklı yapıştırıcıların geliştirilmiş olması, yapıştırıcıların getirdiği en önemli avantajlardandır. Bu özelliklerinden dolayı yapıştırıcılar, iyi bir alternatif olarak değerlendirilebilir. Kompozitler hafif yapılarından dolayı daha çok alüminyum ve titanyum gibi metaller ile birlikte kullanılırlar. Kompozitlerin metallerle olan bağlantılarında bağlantı dayanımı, mukavemeti en düşük malzemenin dayanımı ile sınırlanmaktadır. Bu bazen yapıştırıcı veya bağlantı elemanı, bazen kompozit bazen de metal olmaktadır. Literatür araştırması yapıldığında, bağlantı dayanımlarını hesaplayabilmek için birçok analitik model kullanıldığı görülmektedir. Mekanik bağlantıların dayanım hesabı görece olarak kolay iken yapıştırmalı bağlantılarda dayanım hesabı daha karmaşık ve zordur. Bir de üstüne kompozit malzemenin düzensizliği ve karmaşıklığı eklendiğinde hesaplama iyice zorlaşmaktadır. Bundan dolayı bu tip problemlerin çözümünde daha çok nümerik çözüm yöntemleri kullanılmaktadır. Malzemelerin elastik bölgeden sonra, plastik davranışlarını da incelemek için birçok hasar modeli ortaya atılmıştır. Yapıştırıcılar için Von Mises, Mohr - Coulomb, Drucker – Prager gibi hasar modelleri geliştirilmişken, kompozitler için Tsai-Wu, Hashin, Rotem gibi hasar kriterleri geliştirilmiştir. Bu teorik çalışmalara rağmen kompozitlerde ve yapıştırıcılarda halen en güvenli dayanım ölçme metodu test ve deneylerdir. Bu tez çalışmasında mekanik ve yapıştırıcılı bağlantıların bağlantı dayanımları deneysel ve nümerik yollarla hesaplanmış ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Yapıştırmalı bağlantılar tasarlanırken iki farklı karakteristiğe sahip yapıştırıcı kullanılmış bu sayede farklı yapıştırıcıların modellenmesi amaçlanmıştır. Bağlantı şekli olarak çift yönden bindirmeli bağlantı tercih edilmiştir. Literatüre bakıldığında xxiv da kompozit yapıştırma çalışmalarında genel olarak çift yönden veya tek yönden bindirmeli bağlantıların tercih edildiği görülmektedir. Numunelerin üretimi için 90˚ düz dokuma 200 gsm karbon fiber kumaş kullanılmıştır. Karbon fiber kumaşlar uygun ölçülerde kesildikten sonra epoksi bazlı genel maksat reçinesi kullanılarak karbon fiber plaka üretimi gerçekleştirilmiştir. Gerekli kalınlığa ulaşmak için 11 kat elyaf kullanılmıştır. El yatırması yöntemiyle gerçekleştirilen üretim sonucunda elde edilen plakalar ASTM D 3528 standardına uygun ölçülerde kesilmiştir. Bağlantının diğer bir bileşeni olan metal ise kompozitlerle birlikte sıklıkla kullanıldığından dolayı alüminyum olarak seçilmiştir. 6063 T5 kodlu alüminyum malzemeler yine standartlara uygun ölçülerde kesilmiş cıvata ile bağlanacak parçalara cıvata deliği açılmıştır. Malzemelerin cıvata ile birleştirilmelerinde A-2 kalite paslanmaz çelikten imal edilmiş, M4 cıvatalar kullanılmıştır. Cıvataların basma yüzeylerine pul konulmuş ve M4 somun ile birleştirilmiştir. Cıvatalar sadece bağlantıyı tutacak şekilde sıkılmış, fazladan bir tork uygulanmamıştır. Yapıştırıcılı bağlantılar içinse yapısal yapıştırmalarda kullanılan Araldite 2011 ve Hysol 3450 yapıştırıcıları tercih edilmiştir. Kompozit ve alüminyum parçaların yapıştırma yüzeyleri hazırlandıktan sonra laboratuvar koşullarında malzemeler birbirlerine yapıştırılmıştır. 24 saat beklenerek numunelerin tam olarak kürleşmesi sağlanmıştır. Üç farklı durum için toplamda dokuz farklı numune hazırlanmıştır. Daha sonra numunelerin, laboratuvar ortamında 1,27 mm/dk hızında çekme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneylerin bilgisayar ortamında simule edilebilmesi için öncelikle, numunelerin üç boyutlu katı modelleri SolidWorks 2017 programında oluşturulmuştur. Katı modellere göre sonlu elemanların oluşturulabilmesi için ticari FEA programları olan HyperMesh 13.0 ve HyperCrash 13.0 programları kullanılmıştır. Kullanılan programdan bağımsız olarak, malzemelerin hasar durumlarını gözlemleyebilmek ve mümkün olduğunca doğru sonuçlar elde edebilmek için modellemenin doğru yapılması büyük önem taşımaktadır. Bu şartları sağlamak ve olası delaminasyon durumunda delaminasyon etkisinin gözleyebilmek için bütün kompozit katlar, katlar arası reçine tabakaları, yapıştırıcılar ve cıvatalar üç boyutlu hex elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Üreticilerden ve benzer çalışmalardan elde edilen malzeme özellikleri programa girildikten sonra bütün malzemeler için hasar kriterleri tanımlanmıştır. Uygulanan hasar kriterleri güncel çalışmalar incelenerek seçilmiştir. Belirlenen bu hasar kriterleri doğrultusunda, elemanlar belli bir değere ulaştığında hasar uğramakta ve bir süre sonrada yük taşıma görevlerini yerine getirememektedirler. Oluşturulan modellerin çözdürülmesinde Radioss 13.0, sonuçların değerlendirilmesinde de HyperView 13.0 programları kullanılmıştır. Çıkan sonuçlar birbirleriyle ve deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Daha önce yapılan çalışmalar incelendiğinde, bağlantı dayanımlarının, maksimum çekme kuvvetinin bindirme alanına bölünmesiyle elde edilen bağlantı dayanımı değeriyle mukayese edildiği görülmüştür. Bu çalışmada da, çalışmada bahsedilen durumlar bağlantı dayanımlarına ve bağlantının taşıyabildiği gerilim değerine göre karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak; cıvatalı bağlantılar ve yapıştırmalı bağlantılar deneysel ve nümerik olarak dayanımlarına göre kıyaslanmıştır. Deney sonuçları göstermiştir ki yapıştırmalı bağlantılarda bağlantı dayanımı ve kopma uzaması, numuneden numuneye çok çeşitlilik göstermektedir. Buna karşın cıvatalı bağlantılarda bu değerler daha kararlıdır. Yapıştırıcıların sonlu elemanlarla modellenmesinde, farklı karakterleri yapıştırıcıların tek bir hasar kriteriyle modellenmelerine engel olmaktadır. Sünek yapıştırıcı enerji kriterine göre daha doğru sonuçlar verirken gevrek olan yapıştırıcı şekil değiştirme xxv kriterine göre daha doğru sonuçlar vermektedir. Nispeten daha sünek ve daha mukavemetli bir yapıştırıcı olan Araldite 2011 ile yapıştırılan numuneler neredeyse cıvatalı numuneler kadar dayanım göstermişlerdir. Buna karşın Hysol 3450 ile yapıştırılan numuneler aynı başarıyı gösterememişlerdir. İki yapıştırıcıda da hasar başlangıcından sonra hasar ilerlemesinin çok yüksek hızda olduğu saptanmıştır. Bu durum da bağlantının ani kopmasına neden olmakta ve sistem bütünlüğünü tehlikeye atmaktadır. Bağlantılardaki gerilme dağılımları incelendiğinde ise yapıştırmalı bağlantılarda düzenli bir gerilme dağılımı olduğu, cıvatalı bağlantılarda ise cıvatadan dolayı çentik etkisi ve gerilme yığılmaları olduğu gözlemlenmiştir. Tüm bu sonuçlar göstermiştir ki yapıştırmalı bağlantılar, uygun yapıştırıcı seçiminde en az cıvatalı bağlantılar kadar dayanım göstermektedirler. Birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları olsa da iki bağlantı türü de kompozit sistemlerde kullanılmaya devam edecektir. Fakat yapıştırıcıların ani kopma davranışları, imalat süreçlerinin ve bağlantı dayanımlarının ortam şartlarına karşı çok hassas olmaları, yapıştırmalı bağlantıların kullanım alanlarını kısıtlamaya devam edecektir.