Değişken açılı elyaf kompozitlerin uygulanabilirlik açısından yeni bir tasarım yaklaşımı ve diferansiyel evrim ile burkulma yükü optimizasyonu

Abstract

Hava-uzay araçları başta olmak üzere bir çok sektörde kullanılan elyaf kompozitlerin başlıca tercih edilme nedenleri önceden kullanılan muadillerine göre daha yüksek spesifik dayanım ve daha düşük ağırlık ile birlikte büyük bir maliyet tasarrufu sağlamasıdır. Bir yapının maruz kaldığı yük isterleri göz önüne alınarak yöne bağlı mekanik özellikleri sayesinde her katmanda uygun bir oryantasyon açısı ile istifleme dizisi tasarlanarak geleneksel elyaf kompozitlerin performansı artırılmaktadır. Bu tezdeki değişken oryantasyon açısıyla ifade edilen ise elyaf kompozitlerin değişken direngenliğini, elyaf açısını aynı katman içerisinde değiştirerek serim güzergahını değiştirmektir. Böylece, elyaf kompozit malzemenin yöne bağlı mekanik özelliklerini kullanarak optimizasyon kapsamını genişletmekte ve potansiyeline ulaşmasını sağlamaktadır. Düzlem içinde daha avantajlı bir yük dağılımı oluşturmaya imkan vermektedir. Bu tasarıma sahip kompozitlerin üretimi, uzun yıllardır geleneksel kompozit üretiminde de kullanılan, yüksek hassasiyet ve hızlı serim sağlayan otomatik elyaf serim cihazı (AFP) ve otomatik bant serim cihazı (ATL) ile planlanmaktadır. Bu çalışmada, mevcut laminasyon teorilerinde sabit sayı olarak geçen her bir katman açısı yerine konuma bağlı, lineer değişen bir oryantasyon açısı tanımı yapılmıştır ve tek eksende yükleme altında burkulma incelenmiştir. Yüksek dereceden doğrusal olmayan, türevlenebilirlik açısından klasik-gradyan bazlı yöntemlerde uygulaması zor olan amaç fonksiyonlarının optimizasyonunda buluşsal aramaya bağlı stokastik özelliği olan yöntemler arasından göreceli olarak daha hızlı ve yüksek doğruluğu olan evrimsel algoritma kullanılmıştır. Tasarım modellemesi ve optimizasyon kodu python programlama dilinde yazılarak Abaqus doğrusal burkulma analizi amaç fonksiyonu olarak entegre edilmiştir. Üretim sonrası kusurlardan kaçınmak için simetrik elyaf kompozit ve dengelenmiş katman açıları dizilimi tasarımın sınırlarını oluşturmuştur. Ayrıca, açı parametrelerinin alt ve üst limitlerinin yanı sıra, üretim cihazları ve filament demetlerinden kaynaklı eğrilik yarıçapı kısıtlaması da kullanılmıştır ve eğrilik yarıçap kısıtlama denklemi türetilmiştir. Optimizasyon ve sayısal analizler sonucunda, farklı katman sayılarında ve farklı boy-en oranlarında değişken açılı elyaf kompozitlerin kritik burkulma yükü bakımından avantajlı olduğu gösterilmiştir ve boy-en oranına ve katman sayısına göre yük kazanım oranları arasındaki korelasyon analiz edilmiştir.