Yapısal Kompozit Malzemelerde Gerilme Analizi

Abstract

Bu çalışmada kompozit malzemelerin gelen etkilere karşı davranışı gerilme analizleriyle incelenmiştir. Son yıllarda hızlı bir şekilde gelişen kompozit malzemelerin kullanımı kendisini savunma sanayiinde kompozit zırhların geliştirilmesi şeklinde göstermektedir. Bu çalışmada; kompozit zırhlar için farklı bir yaklaşım ile kompozit malzemelerden oluşturulan bir modelin gerilme analizi yapılmıştır. Kompozit zırh tasarımında farklı malzemelerden farklı yaklaşımlar yapılmıştır. Kompozit zırh Al, Ti ve çelikten oluşan modellemelerle en uygun tasarım aranmıştır. Alüminyum levha içine çelik ve Ti’dan oluşan borular yerleştirilerek yüke maruz bırakılıp, bu yük altında oluşan gerilmelerin davranışları incelenmiştir. Bu inceleme için ANSYS programı kullanılmıştır. ANSYS programının kullanılma amacı ANSYS programının, modelin realiteye dönüştürülmesinde en önemli safha olan modelin meshleme işlemini başarılı bir şekilde yapıyor olmasıdır. Fotoelastik yöntemle yapılan mekanik deneyin sonuçlarıyla ANSYS’de aynı modelin gerilme analizleri karşılaştırılmış ve gerilmeler arasında kabul edilebilir bir hata oranı ile uyum olduğu görülmüştür. Bu çalışmada; ANSYS programı kullanılarak modelin oluşturulması adım adım gösterilmiştir. Modelde ilk başta üç farklı malzeme kullanılmıştır. Al, çelik ve Ti’dan oluşan modelde iki boyutlu bir inceleme yapılmıştır. Sonuçların analizinden modelin boyutları ve iki malzeme seçimi yapılmıştır. ANSYS ile modelin üzerinde farklı şekillerde değişiklikler yapılarak Sonlu eleman modellemeleri tekrar edilmiştir ve en sonunda hem maliyet hem de gerilme değerleri dikkate alınarak optimum bir kombinasyon bulunmuştur. Sonuç olarak çelik boruları ihtiva eden Al levhaların gelen darbelerden oluşan gerilmeleri karşılaması bakımından başarılı oldukları anlaşılmaktadır. Alüminyum ve çelikten oluşan kompozit zırhların iki ve üç boyutlu incelemelerinde halkaların sayısı, halka kalınlığı ve çelik halkalar arasındaki mesafeler değiştirilerek bu değişikliklerden kaynaklanan gerilme farklılıkları dikkate alınmıştır. Gerilmelerin karşılaştırılması ile farklı bir zırh tasarımı oluşturulmuştur. Bu model Model-7 olarak adlandırılırmış ve gerçek yük ile ANSYS modellemesi yapılmıştır. Bulunan bu modelin diğer modellerden daha başarılı olduğu görülmüş ve modelin 3 boyutlu incelemesi yapılmıştır. Tasarlanan bu modelin balistik performans açısından diğer modellerden daha başarılı olduğu sonucuna varılmıştır. ANSYS, MATLAB, ve Microsoft Office programlarının yardımıyla grafikler halinde modellerin gerilme diyagramları şekillerle gösterilmiştir.

The usage of composite materials is shown itself as improvements in composite armour in the defence industry. In this thesis, there are different approaches to the composite armour modeling. The stress analysis was made for this different perspective. Composite armours are mostly made of Al and steel. Al block consist of steel pipe cylinders and this composite model subjected to pressure. And the formed stresses, which has been come into existence of the pressure was analyzed. ANSYS program was used in this study. The main reason for the usage of ANSYS is the successful ability for meshing areas and volumes, which is one of the most important process for the finite element modeling. In the mechanical experiment ANSYS modeling was checked with the photoelastic method. And this comparison, based on the stresses were read from ANSYS fem and photoelastic method, showed up that the finite element modeling using ANSYS was well enough for the accurate results. In this thesis; the modeling has been shown step by step by using the ANSYS. At first, three different materials were used for the study. Two dimensional investigations were made with Al, Steel and Ti. 2D modeling was clarified some dimensional questions and gave some information about the dimensional selections for the 3D modeling in ANSYS. Two different materials were used after some selections in 3D and 2D modeling. The modeling was replicated with differing the model in dimensions and shapes. Changing the model in ANSYS gave information for the best choice and optimum combination for the composite armour regarding to the cost and strength. Consequently, aluminum blocks that comprise steel pipes countervailing the projectile or another impact effects, have a successful ability to absorb energy. In the analysing of 2D and 3D modeling investigations of composite armours which was made of aluminium and steel pipes as changing the dimensions of the steel pipes’ wall thickness, number of the pipes and the distance between the pipes and stresses have been examinated. The differences about the stresses between the distinct models were analyzed carefully. A new model which is called “Model-7” in this thesis defined consequently by examining the stress differences. It was seen that Model-7 is more successful than the others. In the 3D analysis with the use of ANSYS, some graphs, which is specifying the stresses shows the diagrams schematically with the help of MATLAB and Microsoft Excell programs.