Fiber metal tabakalı kompozit plakaların diferansiyel quadrature metodu ile titreşim analizi

Abstract

Fiber metal tabakalı kompozitler (FMT), farklı metal levhalar (genellikle alüminyum) ile karbon, cam veya aramid gibi fiber takviyeli polimer matrisli kompozitlerden meydana gelen hibrid yapılardır. Metal levhalar kompozitin dış yüzeyde bulunurlar ve takviye edilmiş polimerik iç kısmı dış etkilerden korurlar. Metal malzemeler genellikle süneklik, darbe direnci, yorulma çatlağı büyümesine karşı hasar toleransı gibi iyi özelliklere sahiptir. Fiber takviyeli kompozit malzemelerin ise yüksek özgül mukavemet, yüksek özgül rijitlik, iyi korozyon ve yorulma direnci gibi avantajları bulunmaktadır. Fiber metal tabakalı kompozitlerin üretimi sayesinde bu iki malzemenin sahip olduğu avantajlar bir araya getirilmektedir. Bu avantajlarından dolayı fiber metal tabakalı kompozitler günümüzde otomobil, uçak ve uzay endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bundan dolayı, bu hibrit kompozit malzemelerin titreşim davranışlarının incelenmesi büyük bir öneme sahiptir. Bu çalışmada, fiber metal tabakalı kompozit plakaların titreşim karakteristikleri nümerik ve deneysel olarak incelenmiştir. Tabaka malzeme özelliklerinin (alüminyum levha, cam-fiber, karbon-fiber tabakalar), geometrisinin (tabaka sayısı, tabaka kalınlıkları, fiber yönlenmeleri) ve farklı sınır şartlarının kompozit yapının titreşim ve sönüm karakteristiklerine etkisi, deneysel olarak araştırılmıştır. Daha sonra fiber metal tabakalı kompozit plakanın diferansiyel denklemleri klasik plaka teorisine göre türetilmiştir. Diferansiyel quadrature, genelleştirilmiş diferansiyel quadrature ve harmonik diferansiyel quadrature metotlarının kullanılması ile nümerik analizler gerçekleştirilmiştir. Nümerik modelin doğruluğunu kanıtlamak için elde edilen doğal frekanslar literatürde verilen sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Ayrıca, bu çalışmada elde edilen sayısal sonuçlar deneysel olarak doğrulanmıştır. Böylelikle, çeşitli parametrelerin hibrit yapının titreşim karakteristikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır.

Fiber metal laminated composites are hybrid structures consisting of fiber-reinforced polymer matrix composites such as carbon, glass or aramid and different metal sheets (usually aluminum). The metal plates are located on the outer surface of the composite and protect the reinforced polymeric inner structure from external influences. Metal materials generally have good properties such as ductility, impact resistance, damage tolerance to fatigue crack propagation. Fiber reinforced composite materials have advantages such as fatigue resistance, high specific stiffness, good corrosion behaviors and high specific strength. The advantages of these two materials are combined due to the production of fiber-laminated composites. Because of these advantages, fiber metal layer composites are widely used in automobile, aircraft and aerospace industries. Therefore, it is of great importance to investigate the vibration behavior of these hybrid composite materials. In this study, the vibration characteristics of composite fiber-laminated composites were numerically and experimentally investigated. First, effects of material properties (aluminum plates, glass-fiber, carbon-fiber layers), its geometry (number of layers, layer thickness and fiber orientation angle), and also different boundary conditions on the vibrations characteristics of these materials were experimentally investigated. Then, the differential equations of the fiber metal sheet composite plate are derived according to classical plate theory. Numerical analysis was performed by using differential quadrature, harmonic differential quadrature and generalized differential quadrature methods. To prove the accuracy of the numerical model developed in this thesis, the natural frequencies determined were compared with the results given in the literature. Moreover, the numerical results obtained in this study were experimentally validated. Thus, the effects of various parameters on the vibration characteristics of the hybrid structure were investigated.