Deformation behavior of thin walled structures filled with auxetic and non-auxetic core materials

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2021
Yazarlar
Usta, Fatih
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Lisansüstü Bilimleri Enstitüsü
Özet
Air vehicles can be exposed to structural damages and disable integrity due to static and dynamic loads. Windshields of an airplane, i.e., fuselage or wing surfaces, can have a risk of these loads, and therefore, they should withstand these external loads. The skin shape of the air vehicle components, e.g., fuselage/wing/empennage of airplane and blade/canopy of the helicopter, can be considered as the combination of curved or flat panels. Likewise, thin-walled tubular structures, which can be utilized as the forms of landing gears or frames of aircraft, can possess curved or flat surfaces depending on cross-section types. This thesis proposes to increase the indentation and impact resistance of the air vehicles under low and high-velocity impact loading. The structural durability of the aircraft components under compressive loading has a key role in the protection of structural integrity during accidents. We mainly focus on enhancing mechanical performances of integrated structures, e.g., sandwich panels and thin-walled tubes with auxetic (i.e., negative Poisson's ratio) and non-auxetic core. In particular, we focus on the effects of curvature by examining flat, single, and doubly curved sandwich panels and then curved thin-walled tubes throughout the thesis studies. The results are compared in terms of compressive modulus, strength, and energy absorption metrics. In the first part of this thesis, we develop novel auxetic open cell assemblies to provide high-performance core structures for integrated stuctures. We describe the behavior of a novel class of hierarchical slotted and asymmetrical edge cellular shapes honeycombs with auxetic and non-auxetic configurations subjected to edgewise compression. Hierarchical (slotted) and non-hierarchical specimens, including hexagonal, traditional re-entrant, and asymmetric re-entrant, are produced by the Fused Deposition Modeling (FDM) method, which is the most common method for additive manufacturing. The specimens are 3D printed by using Raise3D N1 3D machine and Polylactic acid (PLA) plastic filament, and then they are tested under edgewise compression along the in-plane directions. The number of cells is determined as 5x4, and dimensions of 122x105x10 mm3 are kept constant for each design. A rigid mass is crushed through the top edge surface at an axial quasi-static speed of 3 mm/min by using an Instron Roell Amsler test machine. An Imetrum Video GaugeTM system is also used to capture the images of the test samples during crushing and to determine the Poisson's ratio of the samples. The material properties of the PLA plastics are determined via tensile tests following the ASTM D638-14 test standard. FE analyses have been performed using the LS-DYNA code to benchmark force-displacement curves with the experimental results. The numerical models are validated by comparing the load-displacement responses with the experimental results for each sample. Linear elastic properties, crashworthiness, and energy absorption capability of the novel honeycomb structures are evaluated from the experimental and numerical standpoint. Specific metrics like normalized compressive modulus, compressive strength, and specific energy absorption (SEA) are evaluated. The Poisson's ratio of the hierarchical honeycomb configurations is compared to the bulk ones. In this section, we also introduce a novel type of composite open cells honeycombs with the PLA plastic reinforcements, hydrogel, and polyurethane foam over a hierarchical cellular platform. The first class is represented by a hybrid architecture combining a hierarchical honeycomb with polyurethane foam filler, while the second is a multiphase structure produced by injecting a sodium alginate hydrogel into the hierarchical voids of the honeycomb metamaterial. The hydrogel formulation consists of sodium alginate (alginate) and a non-ionic surfactant, Pluronic F127. Gel-containing PLA structures are immersed in a 100mM CaCl2 bath prepared by dissolving calcium chloride powder in deionized water. The resulting gel structure is injected into the voids of PLA structures by using syringes. Semi-reticulated polyurethane rigid (PUR) foam blocks (density 69 kg m-3) are processed by using a CNC machine in accordance with the dimensions of gaps in the architectural structures. Then twelve different auxetic and non-auxetic metamaterial architectures are subjected to edgewise compression loading at the same test speed. A parametric numerical analysis is also performed using validated FE models to identify the best metamaterial architecture configurations. Second, we conduct the studies on flat, single, and doubly composite sandwich panels under low and high-velocity impact loading. Sandwich panels are composed of two thin stiff and strong face sheets and a thick lightweight core. The geometrical configuration has a key role to be able to absorb more energy and have more impact resistance. The interface angle, stacking sequence, ply orientation, ply thickness, and material type are the important parameters for manufacturing composite sandwich panels. Here we mainly focus on the effects of different types of auxetic and non-auxetic core structures and curvature of composite panels. In addition, the effects of thickness and stacking sequence of the composite panels are examined, and then an optimization study of the impact behavior of curved plates is performed by using multi-objective optimization techniques. Impact resistance of composite sandwich panels with different types of auxetic (re-entrant, double arrowhead, and hexachiral) and non-auxetic core structures are investigated by using Instron 9340 drop test machine. In the experimental studies, sandwich panels are manufactured with the constituents of UD carbon fiber reinforced epoxy resin (CFRP) composite face sheets and PUR foam core and 3D printed PLA plastic cellular core. Composite face sheets consisting of three plies with the [0/45/90] stacking sequence are manufactured with wet/hand lay-up method. A Heatcon vacuum press test machine is used to cure the epoxy resin and ensure a uniform flatness on both sides of the face sheets. The material properties of the constituents have been determined via tensile and compression tests in accordance with the relevant ASTM test standards. The cellular core topologies are fixed to have the same dimension of wall thickness and number of cells (39x4 except hexachiral topology). A rigid striker with a hemispherical head tip is dropped on the specimens with a speed of 2.6 m/s. A set of numerical analyses with different impact energies are performed using validated FE models to identify the best core design. Then, we indicate how an open cellular core topologies (re-entrant lattice) and a PUR lightweight foam core structures affect the high-velocity impact behavior of the doubly curved CFRP sandwich panels. Composite face sheets are manufactured with the dimensions of 250-mm radius, 30-mm core thickness, and 1.05-mm face sheet thickness by using a doubly curved mould made of aluminum alloy. High-velocity impact tests are carried out by using an air gas gun test machine capable of maximum 40-bar compressed air. Frames and fasteners of the gas gun are renewed considering the connection surface of the specimens. Frames are designed and produced with the same radius of curvature of the sandwich panel. In the experimental studies, a 10-mm diameter spherical steel projectile is launched to the centre of the specimens with a speed of 100 m/s. The FE models are developed by using the LS-DYNA software to simulate the high-velocity impact behavior of the specimens. The strain values measured by using strain gauges are recorded via a data acquisition system. The penetration depth of the projectile is measured by using a digital caliper. Moreover, the effects of curvature on the impact behavior of composite panels are examined by using numerical methods. The doubly curved surfaces are investigated and classified according to the Gaussian curvature coefficient. The impacted surface is extracted from the surfaces of torus, ellipsoids, spheres, and cylinders. We evaluate twelve different doubly and one single curved panels impacted by a spherical projectile at a velocity of 100 m/s. The results are firstly discussed by considering the effects of the curvature on the backplane displacement and the energy absorption of the panels. In addition to these, a multi-optimization study based on the Genetic algorithm and Response Surface method is carried out in order to determine the optimum designs of curved plates under high-velocity impact loading. Third, we conduct the studies on crash tubes subjected to axially quasi-static compression and low-velocity impact loading. Crash tubes are important safety components used as thin-walled structures owing to their lightweight. Here we investigate the effects of filler types, curvature, tube numbers, cross-section, and imperfection on the single and multi-tube systems' crashworthiness performance. Re-entrant and hexagonal configurations are chosen as unit cell shapes of the filler. The numerical studies are conducted using LS-DYNA software. Material properties of tubes made of aluminum alloy and auxetic lattices utilizing Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plus and PLA plastics are determined by using tensile tests according to ASTM E8/E8M and ASTM D638-14 test standards. The effects of imperfection on the tube and using auxetic filler on the crushing behavior of circular crash tubes are examined by using numerical methods. FE analyses are performed at 5 m/s impact velocity. Two different trigger shapes are suggested and compared to each other and discussed the advantages and disadvantages over non-triggered tubes. In order to indicate the effects of auxeticity, circular crash tubes with and without re-entrant lattices are examined under dynamic loads by using experimental and numerical techniques. The tubes in the specified length are cut from the extruded cylindrical aluminum profiles. Then, each specimen is placed in the special grooves on the aluminum plate and bonded using adhesive. Impact tests are conducted by using the Instron Dynatup 8150 test machine. As a special case of integrated thin walled structures, nested tubes are also examined in this section. The effects of using hexagonal honeycomb filler, increasing the numbers of tubes, and changing the lengths of the tubes on the nested tube structures are examined both experimentally and numerically. In the experimental study, a mass is dropped at 2.75 m/s impact velocity onto the multi-tubular crash tubes by a drop test machine. The results of single, double, triple, quadruple, and quintuple tubular structures with and without the honeycomb filler are compared in terms of collapse mechanism and common crashworthiness indicators. Furthermore, the effects of taper angle, imperfection, and cross-section types on the impact behavior of nested tubes are investigated numerically. Lastly, we present a crashworthiness optimization of nested and concentric circular tubes under impact loading which is performed by coupling FE model, Response Surface models, and Genetic algorithm. Length and thickness of three concentric tubes, as well as the radius of one tube, are adopted as design variables, which are effective parameters on crashworthiness and energy absorption. To reduce the computational cost of the optimization procedure, simple and computationally cheap Response Surface models are created to replace FE analyses in further calculations. The Non-dominated Sorting Genetic Algorithm –II (NSGAII) is applied to obtain the Pareto optimal solutions.
Hava araçları uçuş esnasında veya yer hareketi sırasında karşılaşılan kazalardan dolayı yapısal hasarlara maruz kalmaktadır. Kazalar uçakların taksi yolundan veya aprondan çıkması, alan ihlalleri, kuş/dolu çarpması, yabancı madde hasarı (FOD), mekanik arızalanmalar gibi çeşitli nedenlerden dolayı oluşmaktadır. Kazalarda dinamik ve statik dış yüklemelere maruz kalan hava aracı komponentleri yapısal hasarlara maruz kalması aynı zamanda aracın yapısal bütünlüğünün bozulmasına neden olmaktadır. Kazalar esnasında uçakların kanat ve gövde üzerinde bulunan bölümlerinin dış yüklere karşı dayanıklılığını artırmak mühendislik açısından öneme sahiptir. Mekanik dayanımı yüksek komponentlerin tasarımı genellikle beraberinde ağırlık artışına neden olmaktadır. Ağırlık artışı ise taşıtların performansını azaltmakta ve yakıt sarfiyatını artırmaktadır. Dolayısıyla hem dayanıklı hem de hafif yapıların tasarımı için bugüne kadar birçok özgün tasarım ve yenilikçi malzeme türü geliştirilmiştir. Ökzetik malzemeler negatif Poisson oranı değerine sahip malzemelerdir. Doğada nadiren karşılaşılan ökzetik malzemeler ağaç özü, mercan ve süngerlerin mikro yapılarında karşımıza çıkabilmektedir. Doğadaki pek çok yapının aksine ökzetik malzemeler basma yüküne maruz kaldığında enine kesitinde daralma meydana gelirken, çekme yüküne maruz kaldığında enine kesitinde genişleme meydana gelir. Bu özelliği sayesinde ökzetik yapılı ürünlerde yapısal hasarlar azaltılabilir. Yapay ökzetik malzemeler negatif Poisson oranına sahip olacak şekilde özel olarak geliştirilen meta-malzemelerdir ve mühendislik uygulamalarında kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Bu tez çalışmasında hava araçlarının düşük veya yüksek hızlı yüklemeler altında çarpma dayanımının artırılması amaçlanmıştır. Uçak kanat, gövde kuyruk takımı ile helikopter pali ve kanopisi gibi hava aracı yapılarının dış yüzeyleri düz veya eğrilikli panel geometrisine sahiptir. Bunun yanı sıra iniş takımları ile çeşitli takviye elemanları ince cidarlı içi boşluklu geometrilere sahiptir. Tez kapsamında bu yapıların dış yükler altında mekanik dayanımını artırmak için ökzetik ve ökzetik olmayan kafes yapılı çeşitli dolgular takviye edilerek entegre yapılar oluşturulması ve çarpma yüklerine karşı bu yapılarda eğrilik başta olmak üzere kalınlık, birim hücre geometrisi gibi tasarım parametrelerinin etkilerinin incelenmesi hedeflenmiştir. İlk bölümde entegre yapılarda kullanılabilecek özgün ökzetik yapılı hücre tasarımları geliştirilmesi için çalışmalar yapılmıştır. Bu amaçla girintili (re-entrant) kafes yapılı hiyerarşik ökzetik tasarımlar geliştirilmiştir. Kalınlık boyunca dikdörtgen kesitli yarıklar içeren bu tasarımın simetrik ve asimetrik girintili kafes yapılı modelleri ile ökzetik olmayan balpeteği kafes yapılı modelleri PLA plastik malzemeli flamanlar kullanılarak en yaygın eklemeli imalat yöntemi olan FDM (Fuse Deposition Method) yöntemiyle Raise3D N1 isimli 3B yazıcıda üretilmiştir. Numunelerin hücre sayıları ve ebatları sırasıyla 5x4 ve 122x105x10 mm3 olarak sabit tutularak 12 farklı model test edilmiştir. Testler Bristol Kompozit Enstitüsü laboratuvarında bulunan Instron Roell Amsler servohidrolik test cihazı kullanılarak 3 mm/dk ezilme hızında gerçekleştirilmiştir. Ezilme testlerinde yer değiştirme, tepki kuvveti, hız verileri kaydedilmektedir. Bunun yanı sıra Imetrum Video GaugeTM video kamera ölçüm cihazı kullanılarak deney numunelerinin düzlem içi deformasyon şekilleri kaydedilmiş ve numunelerin Poisson oranları hesaplanmıştır. PLA plastik malzeme özellikleri ASTM D638-14 test standardına göre çekme testleri yapılarak belirlenmiştir. Daha sonra LS-DYNA yazılımı ile her bir modelin aynı şartlarda sonlu eleman analizleri yapılarak elde edilen sonuçlar kuvvet-yer değiştirme eğrileri bakımından deneylerden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak modeller doğrulanmıştır. Sonuçların incelenmesi için özgül enerji emilimi, basma dayanımı ve sıkıştırma modülü değerleri karşılaştırma parametreleri olarak kullanılmıştır. Bu bölümde ayrıca bir başka özgün faaliyet olarak hiyerarşik modellerin boşluklu bölümlerine farklı yoğunluk ve faz yapısında malzeme takviyesi yapılarak yüksek performanslı özgün kompozit meta-malzemeler tasarlanmıştır. 3B yazıcıda üretilen PLA plastik malzemeli hiyerarşik modellere ayrı ayrı düşük yoğunluğa sahip rijit poliüretan köpük malzeme ve yarı akışkan (non-Newtonian) aljinat hidrojel malzeme takviyesi yapılarak hibrit yapılı numuneler üretilmiştir. Poliüretan köpük CNC test cihazı ile işlenerek istenilen boyut ve geometrilerde imal edilirken, aljinat hidrojel ise Bristol Biomedikal Fakültesi laboratuvarında özel olarak üretilip PLA plastik numunelere uygulanmıştır. Altı farklı hibrit ve altı farklı çok-fazlı kompozit metayapılı numunenin aynı şartlar altında ezilme testleri ve sonlu eleman analizleri yapılarak geleneksel balpateği ve girintili latis yapılara karşı avantaj ve dezavantajları gösterilmiştir. Poliüretan köpük malzeme özellikleri ASTM D1621-91 test standardına göre basma testleri yapılarak belirlenmiştir. Ökzetik kafes yapıları genellikle sandviç panel veya ince cidarlı içi boş yapılarda dolgu yapısı olarak tercih edilmektedir. Örneğin uçak kanat ve gövde panellerinde yaygın olarak sandviç plakalar kullanılır. Balpeteği kafes yapılı açık hücreli dolgular ile kapalı hücreli köpük malzemeli dolgular hafif olmasının yanı sıra sandviç yapılarda mekanik dayanımı ve enerji emilimi artıran özelliklere sahiptir. Araştırmanın bu safhasında ezilme ve çarpma yüküne maruz kalan ökzetik ve ökzetik olmayan dolguların entegre yapılarda mekanik performansı artırmaya yönelik katkıları araştırılmıştır. Entegre yapılar iki bölüme ayrılarak ikinci bölümde kompozit sandviç paneller, üçüncü ve son bölümde metalik ince cidarlı yapılarda uygulamaları anlatılmaktadır. İkinci bölüm faaliyetleri düz, tek eğrilikli ve çift eğrilikli sandviç panellerde düşük ve yüksek hızlı parçacık çarpması etkilerinin incelenmesi üzerinedir. Bu çalışmalarda başta girintili olmak üzere asimetrik (hexachiral) ve ok uçlu (arrowhead) kafes yapılı ökzetik yapılı dolgularla ökzetik olmayan altıgen balpeteği kafes yapılı ve köpük malzemeli dolgular sandviç panellere uygulanmıştır. Bunun yanı sıra panellerin eğrilik geometrisi, kompozit katman kalınlığı, katman dizilimi gibi tasarım parametrerinin mekanik dayanıma ve enerji emilim kapasitesine etkileri araştırılmıştır. İlk olarak düşük hızlı kütle düşürme testlerinde girintili, asimetrik ve çift ok uçlu kafes yapılı ökzetik dolgular ile altıgen balpeteği kafes yapılı ökzetik olmayan dolgular karbon elyaf takviyeli kompozit plakalar arasında dolgu yapısı olarak kullanılmıştır. 3B yazıcıda üretilen açık hücreli PLA plastik dolgulu sandviç panellerin yanı sıra kapalı hücreli rijit poliüretan köpük dolgulu paneller test edilerek karşılaştırılmıştır. ASTM 7136 test standardına göre 150x100x20 mm3 ebatlarında İTÜ UUBF Kompozit ve Yapı laboratuvarında üretilen düz sandviç panellerin sonrasında Sabancı Üniversitesi'nde Instron 9340 test cihazı kullanılarak düşük hızlı çarpma testleri yapılmıştır. Karbon elyaf takviyeli kompozit, rijit poliüretan köpük ve PLA plastik malzemelerinin malzeme karakterizasyonları ilgili ASTM test standartlarına göre basma ve çekme testleri yapılarak belirlenmiştir. Yarıküresel uçlu rijit çarpan kütle 2.6 m/s çarpma hızında panellerin merkezine çarptırılmıştır. Sonlu eleman analizlerinde ise farklı çarpma enerjilerinde panellerin mekanik performansları parametrik olarak incelenmiştir. Bu faaliyette düz panellerde dolgu yapısı olarak farklı ökzetik kafes yapıları ile ökzetik olmayan açık ve kapalı hücreli çeşitli yapıların çarpma performansları karşılaştırılmıştır. Daha sonra eğrilik etkisini incelemek için çift eğrilikli kompozit panellerde parçacık çarpma testleri ve analizleri yapılmıştır. Deneyler için tek kademeli sıkıştırılmış hava ile parçacık fırlatılan çarpma test düzeneği kurulmuş ve paneller üzerine küresel parçacık fırlatma testleri yapılmıştır. İlk olarak test düzeneği 250 mm çaplı küresel çift eğrilikli panellerin testlerini yapabilecek şekilde modifiye edilmiştir. Panellerin eğriliğine uygun şekilde bağlantı elemanlarının tasarımı, imalatı ve montajı yapılmıştır. Girintili kafes yapılı ökzetik dolgular PLA plastik malzemeli filaman kullanılarak 3B yazıcıda üretilmiştir. Ayrıca rijit poliüretan köpük CNC makinesinde işlenerek aynı eğriliğe sahip çift eğrilikli köpük dolgular elde edilmiştir. Karbon elyaf takviyeli kompozit panellerin imalatı içinse öncelikle belirlenen eğrilik geometrisine uygun alüminyum malzemeli kalıp üretilmiş ve ısıtmalı vakum masası kullanılarak elle yatırma yöntemiyle çift eğrilikli kompozit paneller imal edilmiştir. Kompozit paneller ile PLA malzemeli dolgu ve poliüretan dolguların temas yüzeylerine epoksi reçine ve sertleştirici karışımı uygulanarak kürleşme gerçekleşene kadar işkenceler ve ağırlıklar kullanılarak bağlantı yüzeylerinin teması sağlanmıştır. PLA plastic malzemeli ökzetik dolgu ile poliüretan köpük ökzetik olmayan dolgulu iki farklı sandviç panel için tekrar testleri de dikkate alınarak üçer adet numune üretilip yüksek hızlı çarpma testleri gerçekleştirilmiştir. 40 bara kadar hava sıkıştırma kapasitesine sahip test düzeneğinde 100 m/s çarpma hızında 10 mm çaplı küresel çelip bilye kullanılarak fırlatma testleri yapılmıştır. Deneylerde, kronograf ile namlu çıkış hızı ve gerinim pulları ile panellerin arka yüzeylerinde belirlenen noktalarda gerinim değerleri ölçülmüştür. Deneylerden sonra çarpan cismin panel içindeki penetrasyon uzunlukları ölçülerek daha sonra sonlu eleman analizlerinden elde edilen değerlerle karşılaştırılmıştır. Sonlu eleman yöntemleri ile dolgu ebatları ve birim kafes yapıları aynı olacak şekilde düz sandviç panellerin analizleri yapılarak eğrilikli panellerle karşılaştırılmış ve çalışmanın sonunda eğrilik etkisi incelenmiştir. Panellerin çarpma davranışına eğrilik etkisinin incelenmesi için bir başka faaliyette ise sonlu eleman yöntemleri farklı eğrilik ölçülerine sahip modeller karşılaştırılmıştır. Gaussian eğrilik katsayısı değerinin pozitif, negatif ve sıfır olması koşullarına göre her durum için farklı eğriliklerde panel geometrileri belirlenerek sonlu eleman modelleri kurulmuştur. Silindirik, toroid, katenoid, elipsoid ve küresel eğrilikli karbon elyaf takviyeli kompozit panellerin 100 m/s çarpma hızında parçacık çarpması analizleri yapılarak mekanik performansları karşılaştırılmıştır. Daha sonra girintili ökzetik dolgulu çift eğrilikli bir sandviç panelin merkezi ve kenarları arasında farklı noktalara çarpma analizleri yapılarak ökzetik dolgulu panellerde merkez dışındaki noktalardaki çarpma yüklerinde performans değişimi parametrik olarak incelenmiştir. Bir başka çalışmada ise 50 m/s çarpma hızında karbon elyaf takviyeli kompozit panellerde panel eğriliği, katman dizilimi ve sayısının etkileri incelemiştir. Son olarak Hexcel cam elyaf kompozit malzemeli panellerin eğrilik tasarım parametresine ideal tasarımlarının belirlenmesi için çok amaçlı optimizasyonu yapılmıştır. Belirlenen sınırlar dahilinde azami dayanımı ve enerji emilim kabiliyeti olan optimum tasarımları belirleyebilmek için Genetik algoritma ve Yanıt Yüzey yöntemi (RSM) çok amaçlı eniyileme probleminin çözümünde kullanılmıştır. Modellerin tasarımları CATIA, sonlu eleman analizleri LS-DYNA ve optimizasyonu ise MATLAB yazılımları kullanılarak yapılmıştır. Üçüncü ve son bölümde ise tez araştırmasındaki ikinci entegre yapı olarak ele alınan ince cidarlı yapılarda ökzetik kafes yapılı dolguların deneysel ve sayısal uygulamaları gerçekleştirilmiştir. İdeal ince cidarlı tüplerin tasarımı için çarpma yükü altında tepe kuvveti değerinin düşük olması ve tepe kuvveti ile diğer tepki kuvvetleri arasındaki farkın düşük olması beklenir. İdeal ince cidarlı yapılar hem yüksek enerji soğurma kapasiteli hem de düşük atalet etkileri ile iyi bir sönümleyici yapı elemanı olmalıdır. Bu bölümde sanki-statik ezme yükleri ile düşük hızlı dinamik çarpma yükleri tüplerin kesitine dik doğrultuda uygulanarak eğrilik, dolgu kafes yapısı, iç içe tüp kullanımı, kesit geometrisi ve tüpler üzerinde oluşturulan çeşitli modifikasyonların numunelerin mekanik performansına etkileri araştırılmıştır. Dolgu kafes yapısı olarak girintili ve altıgen balpeteği konfigürasyona sahip dolgular 3B yazıcılarda üretilmiştir. Tüpler alüminyum, dolgular ise PLA ve ABSplus plastik malzemelerden imal edilmiştir. Bu faaliyetlerde kullanılan AL6063 alüminyum alaşım ile PLA ve ABSplus plastik malzemelerinin malzeme özellikleri ASTM test standartlarına göre belirlenmiştir. İlk olarak dairesel kesitli tüplerde girintili ökzetik dolguların ve tüp üzerinde uygulanan modifikasyonların 5 m/s çarpma hızında çarpma dayanımına etkileri sonlu eleman yöntemleriyle incelenmiştir. Tüplerin 2 mm kalınlık, 70 mm çap ve 100 mm boya sahiptir. Tüpler üzerinde yükseklik boyunca girintili hücre sayısına eşit sayıda zigzag şeklinde modifikasyon tanımlanarak katlanma mekanizmasının kontrol edilmesi öngörülmüştür. Bu faaliyette ökzetik dolgulu ve dolgusuz standart tüpler ile, iki farklı modifiye edilmiş tüpün mekanik performansları karşılaştırılmıştır. Daha sonra ökzetik dolgu kullanımının deneysel olarak incelenmesi için 3 mm/dak ezme hızında statik ezme testleri ve 2.5 m/s çarpma hızında dinamik testleri yapılmıştır. Alüminyum tüplerin imalatı için dairesel kesitli AL6063 malzemeli borular temin edilmiş ve belirlenen boyutlarda kesilmiştir. ABSplus plastik kare kesitli ökzetik dolgular ise Dimension Elite 3B yazıcı cihazı kullanılarak üretilmiştir. Test numunelerinin deney esnasında kaymasını önlemek için numuneler alüminyum bir plaka üzerinde CNC ile işlenen kanallara yerleştirilerek sabitlenmiştir. İnce cidarlı entegre yapılı tüplerde ayrıca iç içe kademeli değişen boylara sahip çoklu tüpler de incelenmiştir. ABSplus plastik malzemeli altıgen balpeteği dolgular dairesel kesitli alüminyum tüplerin iç boşluklarına yerleştirilerek tüplerin sayısı 1-5 arasında değişen ve tüp boyları içten dışa artan ve azalan şekilde numuneler üretilmiştir. Bu çalışmada dolgu kullanımı, tüp boyları ve sayısının değişiminin ince cidarlı iç içe tüplerde düşük hızlı çarpma yüklerine karşı etkileri incelenmiştir. Çarpma testleri 2.75 m/s çarpma hızında darbe test cihazı kullanılarak yapılmıştır. Sonlu eleman analiz sonuçları ile deney sonuçları karşılaştırılarak sonlu eleman modelleri doğrulanmıştır. Daha sonra sonlu eleman analizleri ile iç içe kademeli tüplerde kesit geometrisi, incelen kesit kullanımı ve tüplerin yanal yüzeylerinde oluşturulan modifikasyonların etkileri incelemiştir. Son olarak iç içe üçlü tüpler için boy, çap ve kalınlık tasarım değişkenlerine göre enerji absorbe kapasitesi ve mekanik dayanımı artırmayı amaçlayan çok amaçlı optimizasyon algoritmaları ile en iyi performansa sahip tasarımlar belirlenmiştir. Genetik algoritma ve Yanıt Yüzey yöntemi (RSM) çok amaçlı eniyileme probleminin çözümünde kullanılmıştır.
Açıklama
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2021
Anahtar kelimeler
İnce duvarlı yapılar, Thin-walled structures
Alıntı