Yarı sekizgen girintili yapıların mekanik özelliklerinin parametrik olarak incelenmesi

Abstract

Teknolojinin hızla gelişmesi, pek çok mühendislik alanında yenilik ihtiyacını artırmıştır. Bu ihtiyaçların başında ise havacılık ve savunma sanayii gelmektedir. Özellikle malzeme bilimi, söz konusu alanlarda önemli teknolojik ilerlemelere öncülük etmiştir. Hafiflik, yüksek dayanım ve enerji emilimi kapasitesi gibi malzeme özellikleri, savunma ve havacılık uygulamalarında temel gereklilikler arasında yer almaktadır. Bu gerekliliklere yanıt verebilecek yenilikçi çözümlerden biri ise oksetik yapı tasarımlarıdır. Oksetik malzemeler, negatif poisson oranına sahip alışılmışın dışında malzeme özellikleri gösteren yapılardır. Bu özellik, bir malzemeye uygulanan çekme kuvvetine dik yönde genişleme meydana gelmesiyle tanımlanır. Bu sıradışı davranışları ile geleneksel malzemelerden ayrılırlar ve darbe dayanımı, enerji emilimi ve geometrik kararlılık gibi mekanik özellikleri ile öne çıkarlar. Özellikle zırh sistemleri, koruyucu giysiler, uçak ve araç gövdeleri gibi enerji sönümleme ve patlamaya karşı direnç gerektiren uygulamalarda büyük avantaj sağlamaktadırlar. Bu tez çalışmasında, savunma teknolojileri bağlamında oksetik yapıların mekanik performansını artırmaya yönelik sonlu elemanlar analizleri ile parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. Araştırma kapsamında, literatürde yaygın olarak kullanılan girintili hücre tipinin bir versiyonu olan yarı sekizgen girintili birim hücreler tercih edilmiştir. Temel geometrik parametreler olarak hücre yüksekliği (h), hücre genişliği (w) ve girinti açısı (θ) çeşitli kombinasyonlarla modellenmiş; bu parametrelerin yapının mekanik davranışı üzerindeki etkileri sistematik bir şekilde incelenmiştir. Değerlendirme kriterleri arasında basma modülü (compressive modulus), basma dayanımı (compressive strength), ortalama ezilme gerilmesi (mean crushing stress), özgül enerji emilimi (specific energy absorption), enerji emilimi (energy absorption) ve yoğunlaşma gerinimi (densification strain) gibi mekanik özellikler yer almıştır. Sayısal analizler, ABAQUS/Explicit çözümleyicisi kullanılarak gerçekleştirilmiş olup, modellerde C3D8R tipi (üç boyutlu, azaltılmış entegrasyonlu, 8 düğüm noktalı) katı elemanlar tercih edilmiştir. Her bir oksetik yapı modeli, -y yönünde %64 oranında eksenel basma deformasyonuna maruz bırakılmıştır. Malzeme modeli olarak polilaktik asit bazlı PLA+ kullanılmış; bu malzemenin mekanik özellikleri ABAQUS ortamına dijital olarak tanımlanmıştır. Temas tanımı için 'sert temas' (hard contact) kullanılmış ve temas yüzeyleri arasında 0,1 sürtünme katsayısı atanmıştır. Yüksek çözünürlükte ve güvenilir sonuçlar elde edilebilmesi amacıyla, analizlerde 0,4 mm kenar uzunluğuna sahip homojen bir mesh ağı kullanılmıştır. ABAQUS ortamından elde edilen kuvvet-deplasman verileri, MATLAB yazılımı kullanılarak işlenmiş ve bu veriler, yapının gerilme- birim şekil değiştirme eğrilerine dönüştürülmüştür. Elde edilen bu eğriler, yapının parametrelerinin yapısal performans üzerindeki etkilerinin karşılaştırılmalı olarak incelemeye olanak tanımış ve çeşitli geometrik parametrelerin, özellikle girinti açıları (θ) ile hücre yüksekliği-genişlik oranı (h/w) gibi faktörlerin mekanik performans üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Bu analizler, geometrik parametrelerin oksetik yapıların enerji emilimi, deformasyon davranışı ve genel mekanik özellikler üzerindeki etkilerini karşılaştırmalı olarak ortaya koymuştur. Çalışma sonucunda elde edilen veriler, en uygun yapısal özelliklere sahip oksetik tasarımların, savunma ve havacılık sektörlerinde hafif, dayanıklı ve yüksek enerji sönümleme kapasitesine sahip sistemlerin tasarımında önemli bir rol oynayabileceğini ortaya koymuştur. Ayrıca, bu yapıların otomotiv, biyomedikal ve spor güvenliği gibi çeşitli mühendislik alanlarında da kullanılma potansiyeline sahip olabileceği düşünülmekte ve bu alanlarda katkı sağlayabileceği öngörülmektedir.