Interply ve ıntraply hibrit kompozitlerin karşılaştırmalı mekanik ve dinamik analizi

Abstract

Özellikle havacılık sektöründe yaygın olarak kullanılan tabakalı kompozit yapılar, çalışma ortamları gereği dinamik yüklere maruz kalmaktadırlar. Bu dinamik yükler, zamana bağlı değişken genlikli gerilmeler ve titreşimler oluşturarak kompozit yapıların kullanım ömürlerini azaltmaktadır. Bu durum, elyaf takviyeli tabakalı kompozit yapıların emniyetli kullanımı açısından üstesinden gelinmesi gereken ciddi bir problemdir. Bu sorunun giderilmesi için hibrit kompozit yapıların kullanılması düşünülmüştür. Aynı tabaka sayısı, elyaf yönlenme açısı ve elyaf içeriğine sahip interply ve intraply hibrit kompozit yapıların karşılaştırmalı analizleri yapılarak amaca uygun avantajlı hibrit yapılar belirlenmiştir. Bu çalışma kapsamında, takviye elemanları olarak endüstriyel ölçekte yaygın kullanım alanına sahip olan karbon, aramid ve cam elyaflar kullanılmıştır. Farklı kumaş türleri (tekil ve hibrit kumaşlar), farklı tabaka sayıları (4, 8, 12) ve farklı elyaf yönlenme açılarına (0°/90°, 30°/60°, 45°/-45°) sahip tekil, interply hibrit ve intraply hibrit kompozit üretim grupları oluşturulmuştur. Taguchi üretim tasarımı yapılarak tam faktöriyel tasarıma göre üretilmesi gereken kompozit plaka sayısı, 1/3 oranında azaltılmıştır. VARTM yöntemiyle üretimler yapılarak ilgili ASTM standartlarına göre mekanik (çekme, eğilme ve darbe) ve dinamik (mod şekli, doğal frekans ve sönüm oranı) testler yapılmıştır. Ayrıca, üretim parametrelerinin doğal frekans üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla yapılan ANSYS® paket programı ile sayısal modeller oluşturularak her bir numune türü için modal analizler yapılmıştır. Elde edilen sayısal sonuçlar, deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış ve kabul edilebilir doğrulukta sayısal modeller elde edilmiştir. Ayrıca elde edilen deneysel sonuçlara göre Taguchi analizleri yapılarak amaca uygun, en etkili üretim parametreleri belirlenmiştir. Son olarak, interply ve intraply hibritleşmenin etkisini belirlemek amacıyla aynı içeriğe sahip yapıların mekanik ve dinamik özellikleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir.

Layered composite structures, which are widely used in aviation sector, are subject to dynamic loads due to their working environments. These dynamic loads create time dependent variable amplitude stresses and vibrations, reducing the service life of composite structures. This is a serious problem that must be overcome in terms of the safe use of fiber-reinforced laminated composite structures. To overcome this problem, hybrid composite structures are considered to be used. Comparative analysis of interply and intraply hybrid composite structures having the same number of layers, fiber orientation angle and fiber content were performed to determine advantageous hybrid structures. In this study, carbon, aramid and glass fibers which are widely used in industrial scale are used as reinforcing elements. Single, interply hybrid and intraply hybrid composite production groups were formed with different types of fabrics (single and hybrid fabrics), different layer numbers (4, 8, 12) and different fiber orientation angles (0°/90°, 30°/60°, 45°/-45°). Taguchi production design was attempted to reduce the number of composite plates that should be produced according to full factorial design by 1/3. Mechanical (tensile, bending and impact) and dynamic (mode shape, natural frequency and damping ratio) tests were performed according to the relevant ASTM standards. In addition, numerical models were created using ANSYS® package program to determine the effect of production parameters on natural frequency and modal analyzes were performed for each sample type. The numerical results were compared with the experimental results and numerical models were obtained with acceptable accuracy. In addition, Taguchi analysis was performed and the most effective production parameters were determined according to the experimental results. Finally, in order to determine the effect of interply and intraply hybridization, the mechanical and dynamic properties of the structures with the same content were examined comparatively.