Cam, bazalt ve karbon fiber esaslı hibrit kardan milinin filament sarma tekniği ile üretimi ve matematiksel optimizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, binek araçlarda güç aktarma organı olarak kullanılan kardan millerinin, elyaf sarma tekniği ile cam bazalt ve karbon fiber takviyeli hibrit kompozit malzemelerden üretimi hedeflenmiştir. Geleneksel malzemelere kıyasla kompozit malzemeler, eşyönsüz özellik sergileyen doğaları gereği, üretim, tasarım ve optimizasyon konularında daha karmaşık bir mühendislik pratiği gerektirmektedirler. Bu nedenle, çalışmada öncelikle kullanımı hedeflenen kompozit malzemelerin özellikleri ortaya konmuştur. Ardından, eşyönsüz özellik sergileyen bu malzemelerin tasarımı hususunda iç görü edinmek amacıyla, ön çalışma olarak kardan miline göre daha kolay bir problem seçilmiş ve silindirik kompozit numunelerin yanal basma dayanımı için tasarımında deneme-yanılma yönteminin etkinliği incelenmiştir. İşlevsel isterlerin sayısının artmasıyla deneme-yanılma yönteminin yetersiz kalacağı görülmüş, problemi kompozit malzemelerin mekaniği ve kardan milinin işlevsel isterleri bağlamında matematiksel olarak ortaya koymanın gerekliliği kavranmıştır. Bu amaçla, kardan milinin işlevsel isterleri olan burulma dayanımı, burulma burkulması ve doğal eğilme frekansı ortotropik özellik sergilediği varsayan kompozit tabakalar için matematiksel olarak ifade edilmiştir. Elde edilen matematiksel modelden yararlanarak optimum çözümleri üretecek bir parçacık sürü optimizasyon (PSO) algoritması oluşturulmuştur. Bu PSO algoritmanın, etkili çözümler üretilebildiği ayrıca hibrit kompozitlerin kullanımı ile çok amaçlı optimizasyonların mümkün olduğu ve bazalt fiber kullanımının sonuçları daha da geliştirdiği gösterilmiştir.

This work deals with production and optimization of a glass-basalt-carbon fiber based hybrid filament wound drive shaft that used as a power transmission component at passenger cars. Due to their anisotropic nature, composite materials requires more complex engineering practice than the conventional materials by means of production, design and optimization. Therefore, first of all, mechanical properties of composite materials must be revealed. In the sequel, for the purpose of getting some insight about tailoring the anisotropic properties of composite materials, a simpler problem, designing a composite cylinder for lateral compression strength is selected as a pre-study and in this process effectiveness of trial and error approach examined. Explicitly, increasing number and complexity of functional requirements will render the trial and error approach impractical. As a consequence, it is essential to state the design problem, within the context of mechanical properties of composite materials and functional requirements of the drive shaft, on a more rigorous mathematical basis. For this purpose, torque transmission and torsional buckling capabilities as well as natural bending frequency requirements of drive shaft is expressed in terms of orthotropic properties of laminated composites. By making use of this mathematical model, a particle swarm optimization algorithm which is convenient to use with filament winding method is constructed. It is shown that, the PSO algorithm is an effective way for producing optimal solutions, multi-objective optimization is possible by the use of hybrid composites and optimal solutions of hybrid systems can be improved by introducing more components with varying properties like the basalt fibers.