Çok Katmanlı Karbon / Epoksi Kompozit Malzemelerde Mod II Delaminasyon Dayanımının Ölçülmesi

Abstract

Kompozit malzemeler günümüzde pek çok endüstride temel yapı malzemesi haline gelmiştir. Yüksek performanslı hafif yapılar ve çok sayıda çeşit kompozit malzemelerin en büyük avantajları arasındadır. Ancak davranışlarının tahmin edilemez olması yapının güvenilirliğini azalttığından, bu sorun emniyet katsayısını arttırarak çözülmeye çalışılmaktadadır ve bu durum maliyeti arttırmaktadır. Kompozit malzemelerin daha verimli kullanılması için, daha iyi analitik ve sayısal modellerin geliştirilmesi gereklidir. Delaminasyon (katman ayrılması), kompozit malzemelerinin göçme modlarından biri olarak ilgilenilmesi gereken bir konudur. Yapının yük taşıma kapasitesini ciddi şekilde azaltması sebebiyle kompozit yapılar için oldukça büyük bir tehdit teşkil etmektedir. Bu sebeple delaminasyonun hasar mekanizmasını anlamak oldukça önemlidir. Delaminasyon modellemesinde, iki ana yaklaşım kullanılmaktadır. Bunlar, çatlak mekaniği tabanlı yaklaşım ile hasar mekaniği tabanlı yaklaşımlardır. Ayrıca iki yaklaşımdan da alınan çeşitli hasar tahmin teknikleri sonlu elemanlar kodlarında kullanılarak sayısal modeller oluşturulmaktadır. Kompozit yapıları delaminasyon hasarına karşı daha güvenli hale getirmekteki en büyük zorluklardan biri, malzemenin delaminasyon dayanımını ölçmek için kullanılacak standart test metodları bulmaktır. Delaminasyon hasarının 3 modu vardır: mod I (açılma modu), mod II (kayma modu) ve mod III (kesme modu). En yaygın kullanılan test metodu, aynı zamanda mod I, II ve III arasında standart aşamasına ulaşabilen tek test metodu olan, çift ankastre kiriş numunesi kullanılarak yapılan mod I delaminasyon testidir. Kayma ve kesme modlarında test standardı oluşturma çabaları, çeşitli organizyonlar arasında işbirliği ile sürdürülmektedir. Özellikle mod II için pek çok numune bulunmaktadır, ancak test metodunda fikir birliğine varılamamaktadır. Bu tez çalışmasının konusu tek yönlü karbon / epoksi kompozitlerde mod II delaminasyonudur. Standart için önerilen numuneler arasından sondan yüklemeli ayrık numune kullanılarak, önerilen prosedüre uygun biçimde deneyler gerçekleştirilmiştir. Elde üretilmiş bir karbon / epoksi kompozit malzemenin mod II delaminasyon dayanımı, bu test protokolüne uygun biçimde ölçülmüştür. Deney numunesinin geometrisi, sonlu elemanlar yazılımı kapsamında ideal olarak modellenmiştir. Üretilen malzemenin mekanik özellikleri, kompozit malzemelerin mikromekanik analizine dayanan denklemlerle yaklaşık olarak bulunmuş, numunenin malzeme modelinde kullanılmıştır. Delaminasyon davranışının simülasyonu için hasar mekaniği tabanlı yaklaşım kullanılmıştır. Simüle edilen deney koşullarıyla beraber sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmanın sonuçları ile sonlu elemanlar analizinin sonuçları karşılaştırılmıştır. Delaminasyon davranışı iki çalışmada farklılık göstermekte, sonlu elemanlar sonuçlarından elde edilen malzeme yumuşamasının simülasyonu deneysel sonuçlarla uyum göstermektedir. Sonuçlar tartışılmış ve çalışmaya eklenebilecek olası gelişmeler saptanmıştır.

Composite materials have become the modern base material of most industries today. Light structures with high performance and extensive variety are the main advantages composites offer. However, their unpredictable behavior introduces safety issues, leading to additional safety margins and higher cost. For a more effective use of composite materials, better analytical and numerical models must be developed. Delamination is one of the failure modes of composites that require attention. It is a highly dangerous threat to composite structures for reducing the load bearing capacity of structure severely. Therefore, understanding this mode of failure is vital. There are two main approaches when modelling delamination in composites. These are fracture mechanics based models and damage mechanics based models. There are finite element models to predict delamination initiation or growth, using various techniques of both approaches implemented into finite element codes. One of the challenges to make composite structures safer against delamination occurrence is to come up with a proper testing method for a common ground when measuring the resistance of material to delamination. There are three modes of delamination, which are mode I (opening mode), mode II (sliding mode) and mode III (tearing mode). Most commonly used and the only standardized test method for pure modes is mode I delamination test using DCB (double cantilever beam) specimen. For mode II and mode III testing, collaboration between several organizations is continuing. Especially for mode II testing, there are many specimens proposed; however the testing method remains highly controversial. The subject of this thesis is mode II delamination of unidirectional carbon/epoxy composites. One of the proposed specimens for standardized test, ELS (end loaded split) specimen, is used within the experimental study according to the standardization proposal. Mode II delamination resistance of a hand-manufactured carbon/epoxy composite material is measured experimentally in accordance to this test protocol. Geometry of the ELS specimen used in experimental study is ideally modeled within finite element software. Mechanical properties of manufactured material is obtained approximately using equations based on micromechanical analysis of composite materials and used for the material model of specimen. Cohesive zone model is used for the simulation of delamination behavior. Finite element analysis is performed under simulated test conditions. Results of the experimental study and finite element analysis is compared. Delamination behavior in finite element results is found unlike from experimental results. Simulation of material softening in finite element results is observed to be close to experimental results. Results are discussed and possible improvements to the study are noted.