Çift ok uçlu ökzetik çekirdeğe sahip sandviç yapıların darbe davranışının incelenmesi

Abstract

Teknoloji, insanlığın günlük ve genişleyen gereksinimlerini karşılamak amacıyla sürekli gelişmektedir. Teknolojik gelişmeler ile birlikte malzeme bilimi ve mühendisliği de yenilikçi yapıların geliştirilmesine yönelik bir arayış içerisindedir. Bu arayış, malzemelerin yapısal verimliliğini artırmayı, ağırlıklarını azaltmayı ve performanslarını maksimize etmeyi amaçlamaktadır. Özellikle hafif fakat dayanıklı yapıların tasarımı, havacılık ve otomotiv gibi çeşitli mühendislik alanlarında büyük önem taşımaktadır. Bu bağlamda ökzetik yapılar, son yıllarda dikkat çeken ve bu talepleri karşılayabilecek potansiyele sahip olan yenilikçi ürün grupları arasındadır. Günümüz dünyasında gelişen teknoloji ile birlikte yapıların performansını arttırmanın yöntemlerinden biri, yapıların birim ağırlık başına sahip oldukları dayanımı arttırmaktır. Geleneksel monolitik yapılarla karşılaştırıldığında, sandviç yapılar düşük yoğunluk ve yüksek özgül mukavemet gibi özellikleri sayesinde daha hafif tasarımlarda tercih edilmektedir. Yüksek enerji emilimi ve darbe direnci gerektiren mühendislik uygulamalarında ökzetik malzemeler sandviç yapıların çekirdek katmanlarında kullanılırlar. Bu sayede, ökzetik malzemeye sahip sandviç yapılar hafiflik, yüksek dayanım, yüksek enerji emme kapasitesi ve darbe direnci özelliklerine sahip olmaktadır. Bu nedenle, havacılık, otomotiv, denizcilik, biyomedikal, savunma ve askeri gibi farklı alanlarda kullanımını yaygınlaştırmaktadır. Otomotiv sektöründe, çarpışma anında kinetik enerjiyi absorbe eden ve etkisini azaltan tasarımlar, darbe emici malzemeler veya yapılar kullanılarak tasarlanır. Havacılık'ta ise kuş çarpması veya yabancı madde hasarı oluşturabilecek birçok dinamik çarpışma problemi yapıda ciddi hasarlara yol açacağından kritik parçalar için enerji emme kapasitesi yüksek ökzetik malzemeye sahip sandviç yapılar tercih edilmektedir. Doğada bulunan çeşitli geometrilere sahip yapılardan esinlenen insanlar, yapıların maruz kaldığı yükleri sönümleyebilmek ve darbe kabiliyetini artırmak amacıyla çeşitli geometrilere sahip kafesli yapılar tasarlamayı ve bu yapıları üretilebilir hale getirmeyi başarmışlardır. Poisson oranı, bir malzemenin boyutlarındaki bir eksendeki gerilme veya sıkışma sonucu diğer eksenlerde meydana gelen boyutsal değişim oranını ifade eden negatif veya pozitif değerler ile belirtilen ve malzemenin deformasyon davranışını karakterize eden mekanik bir özelliktir. Ökzetik malzemeler, geleneksel malzemelerin aksine negatif poisson oranına sahip özel bir malzeme sınıfıdır ve bu özelliği sayesinde bir eksen boyunca gerildiklerinde diğer eksende de genişleyen veya bir eksen boyunca daraldıklarında diğer eksende de daralan bir malzeme mekaniğine sahiptir. Bu davranış, ökzetik malzemelere yüksek enerji emilimi ve kesme dayanımı gibi benzersiz mekanik özellikler kazandırır. Sandviç yapılarda negatif poisson oranı, çekirdek geometrisinin tasarımıyla sağlanmaktadır. Bu çalışmada, iki ince plaka ile sınırlandırılmış ve elastoplastik malzeme özelliklerine sahip nylon, onyx ve bu iki malzemenin kombinasyonları olan nylon-onyx-nylon ve onyx-nylon-onyx şeklinde modellenen çift ok uçlu ökzetik çekirdek yapısına sahip sandviç yapının darbe davranışı ve dinamik tepkisi incelenmiştir. Öncelikle, Altair Hypermesh ticari yazılım programının Radios modülü kullanılarak QUAD4-SHELL4N kabuk eleman tipi ile sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Ardından 10 mm çaplı rijit bir bilye modellenerek plakanın merkezinden 4 mm uzağa ve plakaya dik yönde yerleştirilmiştir. Sonlu elemanlar modeli oluşturulan çift ok uçlu sandviç yapı ile rjjit top arasına 0.2 mm sürtünme katsayılı temas(contact) tanımlanmıştır. Aynı zamanda modellenen sandivç yapılı geometriye kendi içinde temas verilerek elemanlar arasında daha gerçekçi bir davranış sağlanmıştır. Onyx ve nylon malzemenin plastik özellikleri literatürdeki gerilme-gerinim diyagramları yardımıyla elde edilmiş olup Radios programında kullanılan M36_PLAS_TAB kartı içine girdi olarak tanımlanmıştır. Rijit bilyenin ökzetik çekirdekli yapı ile çarpışmasını simüle etmek için kullanılan sonlu eleman modeli, doğrusal olmayan (nonlinear) açık (explicit) dinamik analiz tekniği kullanılarak Altair-Radioss çözücüsü yardımıyla çözümler elde edilmiştir. Kullanılan sonlu elemanlar modelinin doğruluğunu sağlamak amacıyla literatürden benzer darbe çalışmaları araştırılmış ve bulunan bir çalışma, tez kapsamında kullanılan modeldeki aynı yaklaşım, analiz tipi ve parametreler ile modellenip, benzer sonuçlar elde edilmiştir. Böylelikle, bulunan kaynaktaki çalışmanın sonuçlarıyla benzer parametreler kullanılarak oluşturulan modelin sonuçları arasında uyum sağlanmıştır. Literatürde yapılan çalışmalar göz önünde bulundurularak düşük, orta ve yüksek hızlarda darbe analizleri gerçekleştirilmiştir. Plakanın ortasına 10m/s, 25m/s, 50 m/s, 75 m/s, 100 m/s, 150 m/s ve 200m/s hızlarla fırlatılan rijit bilyenin oluşturduğu yer değiştirme ve reaksiyon kuvveti değerleri elde edilmiş ve bu veriler yardımıyla yapıların enerji sönümleme kapasiteleri hesaplanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde, dört farklı malzeme kombinasyonu için çarpışma hızlarındaki artışın, yapıların sönümlediği enerjiyi arttırdığı görülmüştür. Tüm farklı hız büyüklükleri için sonuçlar incelendiğinde, sadece onyx'ten oluşan yapının her hız değerinde en az enerji sönümleme kapasitesine sahip olduğu görülmektedir. Nylon-onyx-nylon kombinasyonundan oluşan yapı ise 75 m/s hız büyüklüğünden sonra maksimum enerji sönümleme kapasitesine sahip iken bu değerden daha düşük hızlarda sadece nylon'dan oluşan yapı en yüksek enerji sönümleme kapasitesine sahip olmuştur. Malzemelerin mekanik ve plastik özellikleri ile beraber yapıda oluşan deformasyon miktarının, yapıların enerji sönümleme kapasitesine etkisi yapılan çalışma ile gözlemlenmiştir. Nylon ve onyx malzemelerin mekanik özellikleri karşılaştırıldığında; nylon malzemesi düşük elastisite modülüne sahip olması nedeniyle onyx malzemesine göre çok daha kolay deforme edilebilmektedir. Bu iki malzemenin plastik özellikleri ele alındığında nylon malzemesinin yüksek kırılma tokluğuna sahip olmasından dolayı daha sünek bir davranışa sahip olduğu görülmektedir. Nylon-onyx-nylon malzeme kombinasyonu incelendiğinde; yüksek hızlarda çarpan rijit bilyenin ilk temas ettiği çekirdek katmanı nylon malzemesine sahip olduğu için kolayca deformasyona uğramış fakat rijit bilye enerjisinin bir kısmı burada sönümlenmesine rağmen kalan enerjisi sayesinde diğer tabakalara da temas etmiştir. Enerjisinin bir miktarı sönümlenen rijit bilye onyx malzemesinden oluşan ikinci katmana temas ettiğinde, tabaka daha az deformasyona uğrayıp daha yüksek reaksiyon kuvveti oluşturmuştur. Yapının bu davranışı da çoklu malzeme kullanımı sayesinde daha yüksek enerji sönümleme kapasitesi yaratmıştır. Katmanların birbiri ile olan etkileşimlerini ve deformasyon miktarlarını artırmak, malzeme kombinasyonlarının enerji sönümleme kapasitesi açısından etkisini daha düşük hızlardada görebilmek için birim hücre açıları ve geometrisi değiştirilmeden aynı geometriye sahip yapının katman sayısı arttırılıp birim hücre boyutu azaltılarak enerji sönümleme kapasitesi en yüksek bulunan nylon-onyx-nylon malzeme kombinasyonu için aynı hızlarda tüm analizler tekrardan gerçekleştirilmiştir. Bu yeni oluşturulan model her hız değeri için en iyi sonuç veren malzeme kombinasyonu ile karşılaştırılmıştır. Bu sonuçlar incelendiğinde de nylon-onyx-nylon malzeme kombinasyonuna sahip altı katmanlı geometrinin yüksek hızlardaki üstün performansı, düşük hızlarda da görülmeye başlamış ve bu hızlarda spesifik enerji sönümleme kapasitesi artırılmıştır. Sonuç olarak, farklı hız değeri ve farklı malzeme kombinasyonuna sahip modeller karşılaştırılarak spesifik enerji sönümleme kapasitesi en yüksek kombinasyonun bulunması, yapının deformasyon davranışları incelenmesi ve bulunan optimum kombinasyonun birim hücre boyutunun değiştirilmesiyle yapının daha düşük hızlarda da enerji absorbe etme kabiliyetinin artırılması amaçlanmıştır.