Blast yükü altındaki sandviç kompozit panellerin mekanik davranışının sayısal ve deneysel olarak hesaplanması

Abstract

Kompozit yapıyı, iki veya daha fazla farklı malzemenin istenen özelliklerini ön plana çıkararak bir araya getirilmesi olarak tarif edersek, çok eski çağlarda dahi kompozit malzemelerin kullanıldığını söyleyebiliriz. Kompozit malzemeler günümüzdeki popülaritesini ve yaygın kullanımını yeni keşfedilmiş olmasına değil malzeme ve üretim teknolojilerinin gelişmiş olmasına borçludur. Havacılık ve uzay sektörünün bu gelişmelerde başı çektiği göz önünde bulundurulduğunda; kompozit malzemelerin ileri seviye ihtiyaçlara çözüm ürettiği rahatlıkla söylenebilir. Çünkü daha hafif ve daha sağlam yapılar hava ve uzay araçlarının birincil ihtiyacıdır. Bu ihtiyacı karşılamak için yapısal tasarım mühendisleri yük akışının zayıf olduğu yerlerden malzeme eksiltirken, yükün fazla olduğu yerlere malzeme takviyesi yapmaktadırlar. Geleneksel malzemeler ve üretim metodları bu yöntemi bir yere kadar desteklemektedir. Kompozit malzeme teknolojisinin malzemenin iç yapısına müdahale etme ve daha küçük ölçekte farklı malzeme kullanım imkanı mühendislerin optimum tasarıma erişmesine yardımcı olmaktadır. Her ne kadar günümüzde en yaygın olarak havacılık ve uzay sektöründe kullanılsa da kompozit yapılar, gemicilik, inşaat, otomotiv vb. sektörlerde de kullanılmaktadır. Kompozit yapıların bir alt elemanı olarak ifade edebileceğimiz sandviç kompozit yapılar, geleneksel yapılara göre daha yüksek dayanıma sahip ve hafif olması, bunun yanı sıra monolitik kompozit yapılara göre daha yüksek burkulma direncine sahip olmasından ötürü havacılık sektöründe gün geçtikçe daha yaygın kullanım alanı bulmuştur. Temelde iki yüzey levhası arasına görece oldukça hafif çekirdek malzemenin yerleştirilmesiyle elde edilen kompozit yapılar; yükleme durumunda bir I kirişi ile çok benzer davranış gösterir. Yüzey levhaları çekme ve basma yükünü karşılarken, çekirdek kayma yüküne karşı direnç gösterir. Düzleme dik yüklemelerde ise I kirişe göre daha homojen bir dayanıma sahiptir. Sandviç yapılarda yüzey levhası olarak en fazla aluminyum alaşımlar ve fiber takviyeli kompozitler tercih edilmektedir. Çekirdek malzemesi olarak da petek yapı, köpük veya balsa tercih listelerinin en üst sıralarında yer alır. Havacılık sektöründe karbon fiber takviyeli epoksi levhalar ile balpeteği yapılar yaygın kullanıma sahiptir. Özellikle yüksek burkulma ve yorulma dayanımından ötürü hava araçlarının dış panellerinde kullanılmaktadır ve ses hızının üzerinde hareket eden araçlarda döngüsel olarak yüksek basınç yüklemesine maruz kalmaktadır. Ayrıca yüksek sönümleme kabiliyetinden ötürü iniş takımı tekerlekleri gibi patlama durumunda çevresine blast yüklemesi yapabilecek ekipmanların koruma panellerinde kullanılır. Bu çalışmada blast yükü altındaki karbon fiber takviyeli epoksi levhalara ve balpeteği çekirdek yapısına sahip sandviç kompozit panellerin blast yüklemesi altındaki mekanik davranışının sayısal ve deneysel olarak incelenmesi hedeflenmiştir. Bu xxiv hedefe yönelik olarak karbonfiber kompozit yapılar mekanik davranışı üzerine kapsamlı bir literatür araştırması yapılmış; teorik ve deneysel çalışmalar detaylı olarak incelenmiştir. Ardından katmanlı kompozit yapıların mekaniği üzerine teorik çalışmalar yapılmış ve çalışmada kullanılan temel denklemler elde edilmiştir. Katmanlı kompozit yapılar için geliştirilmiş 2 boyutlu ve 3 boyutlu teoriler ile ilgili bilgi verilmiştir. Sandviç yapılarda kullanılan çekirdek yapılar araştırılmış ve projede incelenecek olan petek çekirdek yapısının mekanik özellikleri detaylı olarak incelenmiştir. Blast yük profilinin elde edilmesi ve yükün ölçeklendirilmesi için literatürde kullanılan yaklaşımlar değerlendirilmiş ve teorik çalışmalarda kullanılacak fonksiyonlara karar verilmiştir. Yapılan teorik çalışmalar sonucunda elde edilen sonuçların deneysel olarak sınanması için hazli hazırda bulunan deney düzeneği basit mesnetli plaka sınır koşullarına göre revize edilmiştir. Literatür araştırması ve sayısal çalışmalar sonucunda çekirdek kalınlığı, çekirdek yoğunluk ve çekirdek tipi sayısal ve deneysel olarak incelenecek parametreler olarak belirlenmiştir. Bu parametrelerin deneysel olarak inceleneceği numunelerin üretileceği malzemeler ve üretim metodlarını belirlemek adına çalışmalar yapılmıştır. Sandviç panellerin yüzey levhalarının kalınlığını belirlemek amacıyla, farklı kalınlıklarda monolitik karbonfiber kompozit plaklar üretilmiş ve F-16 uçağının ön tekerinin lastik basıncı değerindeki blast yükü altında plakların mekanik davranışları plak merkezine yerleştirilen gerinim pulları yardımıyla ölçülmüştür. Deneylerden alınan veriler sonucunda tüm numunelerde 1.472 mm kalınlığında karbonfiber kompozit yüzey levhası kullanımının uygun olduğuna karar verilmiştir. Yüzey levhası kalınlıklarının belirlenmesiyle birlikte asıl deneylerde test edilecek sandviç kompozit plakların üretimine başlanmıştır. Numune geometrileri oluşturulmuş ve istenen malzeme özelliklerinin elde edilmesi için gereken sınır koşullarda üretimler gerçekleştirilmiştir. Üretilen numunelerin her birinin merkezine ve köşesine birer 3-eksenli gerinim pulu yerleştirilmiştir. Numuneler teker teker deney düzeneğine basit destekli sınır koşuluna uygun olacak şekilde yerleştirilmiş; her bir plak üzerine aynı basınç profiline ve şiddete sahip olacak şekilde blast yüklemesi yapılmıştır. Gerinim pulları üzerinden eş zamanlı ve yüksek çözünürlükte alınan datalar bilgisayar ortamında anlamlı verilere dönüştürülmüştür. Veriler incelenirken gerinim pullarının kopması sonucu veya rüzgarın etkisi ile ortaya çıkan bozulmalar değerlendirmelere dahil edilmemiştir. Bu deneylerden elde edilen değerler teorik formüllerden elde edilen değerler ile kıyaslanmış ve deney sonuçlarına dair kaba bir hata hesabı yapılmıştır. İlk tur deneylerinin ardından analiz çalışmaları için gereken plak üzerine etkiyen basınç profilini elde etmek amacıyla üç numune üzerine gerinim pullarına ek olarak basınç sensörü yerleştirilmiştir. Bu üç numune üzerinde önceki deneyler ile aynı sınır koşullarına sahip olacak şekilde blast yüklemesi deneyleri tekrar edilmiştir. Deneylerden alınan veriler vasıtası ile basınç yük profilinin hem zamana hem de konuma bağlı olarak değişimini ifade eden eğri denklemi çıkarılmıştır. ABAQUS programı vasıtası ile deneylerde incelenen plakların üzerine sırasıyla bu eğri denkleminden elde edilen basınç profili uygulanmıştır. Programda plaklar, deneylerde olduğu gibi basit destekli plak sınır koşullarına göre mesnetlenmiştir. Plaklarda kullanılan karbonfiber kompozit ve balpeteği çekirdek yapılarının mekanik özellikleri temin edilen firmaların kalifikasyon deneyleri ile elde ettikleri veri listelerinden çekilmiş ve programda her katman için ayrı ayrı tanımlanmıştır. Deneylerde plaka merkezinden elde edilen gerinim değerleri ile analizlerde aynı noktada elde edilen gerinim değerlerinin zamana bağlı değişim profilleri grafikler yardımı ile kıyaslanmıştır. Aynı zamanda yine ABAQUS programı vasıtası ile üç farklı çekirdek kalınlığına sahip sandviç kompozit plakların ayrı ayrı modal analizleri yapılmış ve doğal frekans değerleri elde edilmiştir. Sayısal ve deneysel çalışmalardan elde edilen veriler kapsamlı olarak değerlendirilmiş ve yorumlanmıştır. Teoride yapılan kabullerin sandviç kompozit plakların mekanik davranışına olan etkisi deneysel çalışmalardan alınan sonuçların ışığında incelenmiş ve hata payları ortaya koyulmuştur. Son olarak da bu çalışma ile blast yükünün sandviç kompozit plaklara olan etkisini incelemeye ve detaylandırmaya yönelik yapılacak olan çalışmalar için tavsiyelerde bulunulmuştur.