Oluklu sandviç kompozitlerin çekirdek yapısının elastik sabitler açısından incelenmesi

Abstract

Sandviç yapılar iki yüzey tabakası arasında bir çekirdek yapıdan oluşan ve havacılık, ulaştırma, otomotiv gibi geniş alanlarda kullanım bulan bir yapı kategorisidir. Sandviç yapıların mukavemet değerleri çekirdek yapısına doğrudan bağlıdır. Sandviç yapılar, yüksek katılık, mukavemet, hafiflik ve enerji emme kapasitelerinden dolayı havacılık, denizcilik, otomotiv, inşaat mühendisliği ve ulaştırma endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sandviç yapılar genel olarak iki adet yüzey tabakasının bir çekirdek ya da dolgu malzemesi ile bir araya getirilmesi ile elde edilmektedir. Sandviç yapıların yüzey tabakaları çekirdek yapılara göre daha ince ve güçlü, çekirdek yapılar ise yüzey tabakalara nispeten daha kalın ancak daha hafif olmaktadır. Genel olarak sandviç yapılarda dolgu malzemesi olarak bal peteği gibi hücresel geometriler kullanılmaktadır. Ek olarak, sandviç yapıların yüzey tabakası genellikle fiber takviyeli kompozitler ve alüminyum alaşımlar gibi hafif malzemelerden yapılır. Bu sayede, eğilme yükleri altında yüzey tabakaları eksenel gerilmeye maruz kalırken, dolgu malzemesi ise basma yüklerini taşımaktadır. Sonuç olarak hem yüksek mukavemet/ağırlık oranı hem de yüksek enerji emme yeteneğine sahip yapılar elde edilebilmektedir. Metal sandviç paneller, birçok endüstriyel alanda çok fonksiyonlu bileşenler olarak giderek daha önemli hale gelmektedir. Ana özelliklerinden biri, eğilme koşullarında yüksek katılık/kütle oranlarıdır. Bu özellik kabuk yüzeylerin malzeme özelliklerine bağlı olarak değişmektedir ancak diğer özellikler (akustik, termal vb.) çekirdek yapısına bağlıdır. Bu nedenle, farklı endüstri alanlarında iyi performansları elde etmek için çok fonksiyonlu sandviç yapılar oluşturma çabası yenilikçi çekirdek yapılarının oluşturulmasına ve geliştirilmesine olan ilgiyi arttırmaktadır. Köpük ve bal peteği gibi birkaç çekirdek yapı türü literatürde ayrıntılı olarak incelenmiştir. Bu çekirdek yapılarına alternatif olarak oluklu çekirdek yapısı ulaşım endüstrisinde giderek daha fazla kullanılan ilginç bir alternatif haline gelmektedir. Bu çekirdek yapılardan oluklu (corrugated) çekirdek yapı çeşitli alanlarda sağladığı özelliklerden dolayı en çok kullanılanlardan birisidir. Oluklu çekirdekli metal sandviç paneller, yüksek katılık/kütle oranları nedeniyle yapısal bileşenler olarak önemli endüstriyel çözümler sağlamaktadır. Tüm sandviç yapıları arasında biri oluklu çekirdek en çekici çözümlerden birisi olup bunun ana sebebi; son derece sınırlı toplam kalınlıklarla iyi bir yapısal performans sağlama özelliklerinden dolayıdır. Oluklu çekirdek sandviç yapısı, iki ince yüzey levhası arasında bir oluk levhasından oluşur. Bu yapıdaki önemli özellik, yüksek mukavemet-ağırlık oranıdır. Oluklu çekirdek, yüzey levhalarını birbirinden uzak tutar ve dikey deformasyonlara direnerek onları stabilize eder; aynı zamanda tüm yapıyı tek bir kalın levha gibi hareket ettirerek kesme mukavemeti avantajı sağlar. Bu ikinci özellik, sandviç yapıların daha iyi mukavemet kazanmasını sağlar. Ayrıca, yumuşak petek şeklindeki çekirdeklerin aksine, kırışık çekirdek eğilme ve burulmayı dikey kesme kuvvetine karşı da engeller. Bu nedenle, oluklu çekirdek sandviç paneller, ağırlığın önemli bir tasarım sorunu olduğu havacılık, uzay, sivil mühendislik ve diğer uygulamalarda genellikle kullanılır. Bu sandviç levha oluşturma yaklaşımı, bileşenlerinin kompozit etkisi tarafından tanımlanan bir 'yapısal kompozit' olarak tanımlanabilir. Oluklu çekirdekli metal sandviç panellerle, yüksek rijitlik-ağırlık oranlarından dolayı yapısal bileşenler olarak oldukça önemli bir endüstriyel çözüm haline gelmektedir. Oluklu çekirdek tabanlı sandviç yapılar farklı şekillerde oluklu çekirdeklerle oluşturulabilir ve bu çekirdek yapılar trapezoidal, üçgen ve sinüsoidal olarak sınıflandırılabilir. Gerçekten de, çekirdek geometrisi oluklu çekirdeklerin mekanik özelliklerini ve dolayısıyla eşdeğer malzemelerin özelliklerini güçlü bir şekilde etkiler. Ancak özellikle akustik simülasyonlar için detaylı sonlu eleman modellerinin kullanılması, büyük modellere ve uzun çözüm sürelerine yol açar. Bu nedenle karmaşık şekilli çekirdeğin eşdeğer homojen bir malzemeye indirgenmesi kullanılmaktadır. Oluklu çekirdek yapıların genel boyutlara kıyasla küçük boyutlara sahip olmasının negatif etkileri Sonlu Elemanlar (FE) yöntemleriyle yapılan modellemelerini etkiler çünkü çekirdeğin üç boyutlu (3D) geometrisinin simülasyonu oldukça fazla bir FE eleman sayısı gerektirir. Karmaşık şekilli çekirdekler genellikle eşdeğer mekanik özelliklere sahip homojen bir ortotropik katman olarak temsil edilerek eleman sayısını ve dolayısıyla hesaplama süresini azaltmak tercih edilir. Bu nedenle eşdeğer katmanın malzeme mekanik parametreleri doğru bir şekilde türetilmelidir, bu genellikle analitik formülasyonlar veya FE teknikleri kullanılarak yapılabilir. Bu çalışmanın asıl amacı, sinüsodial çekirdek yapısına sahip bir oluklu sandviç komponentinin çeşitli yapısal analizlerini yaparak çekirdek yapısının geometrik parametrelerinin bu sonuçlara etkisinin incelenmesidir. Öncelikli olarak literatürde var olan çeşitli homojenleştirme ve basitleştirme yöntemleri araştırılmış ve bu çalışmada enerji yaklaşımına dayalı bir yöntem tercih edilmiştir. Bu yöntem her oluklu çekirdek yapı geometrisi için kullanılabilecek genel bir analitik modelleme tekniği olarak kullanılabilmektedir. Bu yaklaşım yapıya uygulanan kuvveti belirli bir alana bölerek farklı yönlerdeki elastisite ve kayma modüllerini, yapı üzerinde meydana gelen deplasmanları yapının uzunluk, kalınlık ve yüksekliğine oranlayarak hesaplamaktadır. Bu yaklaşımla oluklu çekirdek sandviç kirişleri ve paneller için analitik formülasyonların zaman ve bilgisayar gücü gibi kısıtlamalarını aşmaktadır. Önerilen yöntem çekirdek geometrisine yönelik parametrik çalışmaları büyük ölçüde kolaylaştıracaktır. Bu da oluklu çekirdek bileşenlerinin çok kolay tasarım ve optimizasyonunu sağlayacaktır. Bu tezde literatürde bulunan oluklu çekirdek yapılı sandviç komponentler için ortaya koyduğu yönteme odaklanılmıştır. Öncelikle literatürden elde edilerek kullanılan yöntem doğrulanmıştır. Bu doğrulama amacıyla sinüsodial oluklu çekirdek yapısı üzerindeki 300 noktanın uzaydaki yerleri makalede bulunan merkez çizgisi formülü ile MATLAB programında iki eksende elde edilmiştir. Sonrasında bu noktalar CATIA programına ait bir Excel Macro'su ile CATIA'ya aktarılmış ve orada birleştirilmiştir. Buna ek olarak geometriye gerekli uzunluk da eklenmiş ve geometri Hypermesh programına aktarılacak hale getirilmiştir. Sonraki aşamada Hypermesh programında sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan sonlu elemanlar modelinde, ağ yapısı oluşturulurken dört düğüm noktası barındıran quad elemanlar kullanılmış ve sonlu eleman boyutları 0.1 mm olarak seçilmiştir. Analizlerde sinüsodial çekirdek yapının alüminyumdan yapıldığı kabul edilmiş olup elastisite modülü, Poisson oranı ve yoğunluk değerleri 71 GPa, 0.33 ve 2700 kg/m3 olarak verilmektedir. Sinüsodial modelin yüksekliği 4 mm ve uzunluğu 4.25 mm olup kalınlığı 0.5 ile 2 mm arasında değiştirilmiştir. Analizler için ise OptiStruct programı kullanılmıştır. Hesaplanacak elastik özelliğe göre modellerde numaralandırılmış kenarlara rijit elemanlar (rbe2) aracılığıyla sınır şartları tanımlanmıştır. Sonrasında ilgili kenarlardaki rijit elemanların bağlandığı bağımsız noktaya kuvvet uygulanmış ve gerçekleştirilen analizler sonucunda ise x ve y yönündeki elastisite modülleri ile kayma modülleri hesaplanmıştır. Bu sonuçlar eldeki makale ile karşılaştırılarak modeller doğrulanmıştır. Bu kapsamda elde edilen sonuçların artan kalınlık ile birlikte tüm elastik özellikler için yükseldiği gözlenmiştir. Ayrıca elde edilen sonuçlar ile literatürdeki sonuçlar kıyaslanmış olup tüm elastik özellikler incelendiğinde en yüksek farkın %10'dan az olduğu tespit edilmiştir. Genel olarak kalınlık değerinin artmasıyla birlikte literatürde verilen sonuçlar ile daha yakın sonuçların elde edildiği görülmüştür. Çalışmayı ilerletmek adına aynı yazara ait bir tarafı sinüsodial bir tarafı lineer olarak verilen bir çekirdek yapısı üzerinde yapılan çalışmalara da odaklanılmıştır. Bu model hibrit model olarak adlandırılmaktadır. Doğrulama çalışması için kullanılan hibrit modelin yükseklik ve uzunluğu sinüsodial modelle aynı olup kalınlık ise 0.3 mm olarak kullanılmıştır. Çalışmanın sonraki aşamasında bir tarafı sinüsodial bir tarafı lineer çubuk şeklinde olan hibrit bir çekirdek modeli üzerinde doğrulama çalışması yapılmıştır. Bu model sonuçları incelendiğinde en yüksek fark %4,35 olarak bulunmuştur. Hibrit model doğrulama çalışması tamamlandıktan sonra modelin yüzye kalınlığı arttırılarak yeni analizler yapılmıştır. Bu analizlerde elastisite ve kayma modülü değerlerinin arttığı sonucuna varılmıştır. Çalışmanın son aşamasında hibrit çekirdek yapısının yüzey kalınlığı, çekirdek yüksekliği ve uzunluğu değiştirilerek bunların elastik ve kayma modüllerine etkisi incelenmiştir. Yüzey kalınlığı arttıkça bütün modüllerin arttığı gözlemlenmektedir. Çekirdek yüksekliği ve çekirdek uzunluğu değerleri arttıkça modüllerin ise düşme eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir. Çekirdek yapı geometrisi parametrelerinin elastik ve kayma modüllerine etkisini inceleyen bu çalışma öncelikle mevcut yöntemin doğruluğunu kontrol etmiş ve sonrasında bu parametreleri kullanarak literatürdeki çalışmayı ilerletmiştir. İleride yapılabilecek çalışmalar ile tezde uygulanan yöntem geliştirilip bütün oluklu sandviç yapılar için daha kapsamlı uygulanabilecek parametreler elde edilebilecektir.