__________________________________________________
____________________________________________________
T.C.
NAMIK KEMAL ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ KOORDİNASYON BİRİMİ (NKÜBAP)
____________________________________________________
BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ SONUÇ RAPORU
NKUBAP.00.17.AR.15.03 nolu Proje Vakum infüzyon yöntemi ile çeşitli göbek
formlarında kompozit sandviç panel üretimi
Yürütücüsü:
Arş. Gör. Dr. Kenan ÇINAR 2017
2
NKUBAP.00.17.AR.15.03’no’lu “Vakum infüzyon yöntemi ile çeşitli göbek formlarında kompozit sandivic panel üretimi” adlı proje Namık Kemal Üniversitesi Bilimsel Araştırma Proje Birimi tarafından desteklenmiştir.
T.C.
Namık Kemal Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi
3
Vakum infüzyon yöntemi ile çeşitli göbek formlarında kompozit sandivic panel üretimi
(Proje No: NKUBAP.00.17.AR.15.03 )
Proje Ekibi:
Yürütücü:
Arş. Gör. Dr. Kenan ÇINAR
TEKİRDAĞ-2017 Her hakkı saklıdır.
4 ÖNSÖZ
Öncelikle, “Vakum infüzyon yöntemi ile çeşitli göbek formlarında kompozit sandivic panel üretimi” adlı bu projenin gerçekleştirilmesinde maddi destek sağlayan Namık Kemal Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimine teşekkür ederim.
Projenin başlangıcından sonuna kadar, bana yardımlarını esirgemeyen araştırmacılar; yüksek lisans öğrencisi Uğur ÖZEN’e değerli hocalarım Yrd. Doç. Dr.
İbrahim Savaş DALMIŞ ve Yrd.Doç.Dr. S. Özmen ERUSLU’ya katkılarından dolayı teşekkür ederim.
KASIM 2017 Arş. Gör. Dr. Kenan ÇINAR
Proje Yürütücüsü
5 İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ ...4
ŞEKİL DİZİNİ ...6
ÇİZELGE DİZİNİ ...8
ÖZET ...9
ABSTRACT ... 10
1.GİRİŞ ... 11
2. KAYNAK ÖZETLERİ ... 11
3. MATERYAL VE YÖNTEM ... 14
3.1 Kompozit Yüzey Plakasının Üretimi ... 14
3.1.1 Kompozit Plaka Üretiminde Kullanılan Malzemeler ... 16
3.2 Kompozit Sandviç Göbek Yapısında Kullanılan Malzemeler ... 16
3.3 Kompozit Sandviç Panel Üretimi ... 17
3.4 Eğilme ve Basma Testleri ... 19
3.5 Eğilme ve Basma Test Sonuçları ... 20
4. SAYISAL ANALİZ ... 27
4.1 Modelin oluşturulması ... 27
4.2 Analiz Sonuçları ... 29
5. SONUÇ VE ÖNERİLER... 38
6. KAYNAKLAR ... 39
6 ŞEKİL DİZİNİ
Şekil 2.1 Göbekte kullanılan dikey kompozit kirişler ... 152
Şekil 2.2 Göbekte kullanılan açılı kompozit kirişler ... 152
Şekil 2.3 Kagome geometrisinde göbek yapısı ... 153
Şekil 2.4 Polyüretanın köpük göbek malzemesi olarak kullanılması ... 153
Şekil 2.5 Piramit yapısında göbek malzemesi ... 153
Şekil 3.1 Vakum İnfüzyon Yönteminin Şematik Olarak Gösterimi. ... 155
Şekil 3.2 Torbalama İşlemi Sonunda Çekilen Görüntü ... Hata! Yer işareti tanımlanmamış.5 Şekil 3.3 Köpük ve cam fiber boru ... 17
Şekil 3.4 a) deliksiz sandviç panel, b) delikli sandviç panel, c) delik formları cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç panel ... 18
Şekil 3.5 Sadece cam fiber boru ile güçlendirilmiş sandviç panel ... 18
Şekil 3.6 Standartlara göre kesilmiş numuneler ... 19
Şekil 3.7 3 nokta eğilme test düzeneği. ... 19
Şekil 3.8 Basma fikstürü ... 20
Şekil 3.9 Dolu köpük sandviç panel için 3 nokta eğilme testi altında yük-deplasman eğrisi ... 21
Şekil 3.10 Delikli köpük sandviç panel için 3 nokta eğilme testi altında yük-deplasman eğrisi ... 21
Şekil 3.11 Sadece boru ile desteklenmiş sandviç panel için 3 nokta eğilme testi altında yük-deplasman eğrisi ... 22
Şekil 3.12 Delikli köpük boru ile desteklenmiş sandviç panel için 3 nokta eğilme testi altında yük-deplasman eğrisi ... 22
Şekil 3.13 Tüm sandviç panellerin yük-deplasman eğrileri ... 23
Şekil 3.14 Sandviç panellerin yük altında çekilmiş fotoğrafları ... 24
Şekil 3.15 Numunelerin test sonunda çekilmiş görüntüleri... 25
Şekil 3.16 Basma testlerinden elde edilmiş yük- deplasman eğrileri ... 26
Şekil 3.17 Basma test sonunda alınmış görüntüler ... 26
Şekil 4.1 Numune modelleri (a) dolu köpüklü sandviç, (b) delikli köpüklü sandviç, (c) cam fiber boru ile güçlendirilmiş sandviç, (d) sadece cam fiber boru ile güçlendirilmiş sandviç ... 27
Şekil 4.2 Üstte cam fiber boru ile güçlendirilmiş köpüklü sandviçin, altta ise sadece fiber boru ile güçlendirilmiş sandviçin sonlu elemanlar ağ yapısı ... 28
Şekil 4.3 Alt ve üst yüzey plakalarında kullanılan fiber yönelimleri ... 29
Şekil 4.4 Dolu köpüklü yapıda oluşan gerilme dağılımı ... 30
Şekil 4.5 Dolu köpüklü yapıda plastik şekil değişimi ve Hashin kriterine göre hasar oluşan bölgeler, a) köpük malzemede plastik şekil değişimi b) kompozit yüzeyde fiber basma hasarı, c) kompozit yüzeyde fiber çekme hasarı, d) kompozit yüzeyde fibere dik yönde basma hasarı, e) kompozit yüzeyde fibere dik yönde çekme hasarı ... 31
Şekil 4.6 Dolu köpüklü sandviç yapının test sonuçları ile analiz sonuçlarının karşılaştırılması ... 32
Şekil 4.7 Delikli köpüklü sandviç yapıda oluşan gerilme dağılımı ... 33
Şekil 4.8 Delikli köpüklü sandviç yapının test sonuçları ile analiz sonuçlarının karşılaştırılması ... 33
Şekil 4.9 Delikli köpük cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapıda oluşan gerilme dağılımı ... 34
7
Şekil 4.10 Delikli köpük cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapıda Hashin kriterine göre hasar oluşan bölgeler, a) kompozit yüzeyde fiber basma hasarı, b) kompozit yüzeyde fibere dik yönde basma hasarı, c) kompozit yüzeyde fibere dik yönde çekme hasarı, d) cam fiber boruda fibere dik yönde basma hasarı, e) cam fiber boruda fibere dik yönde çekme hasarı ... 35 Şekil 4.11 Delikli köpük cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapının test sonuçları ile analiz sonuçlarının karşılaştırılması ... 36 Şekil 4.12 Sadece cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapıda oluşan gerilme dağılımı ... 36 Şekil 4.13 Cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapıda Hashin kriterine göre hasar oluşan bölgeler, a) kompozit yüzeyde fiber basma hasarı, b) kompozit yüzeyde fibere dik yönde basma hasarı, c) kompozit yüzeyde fibere dik yönde çekme hasarı, d) cam fiber boruda fibere dik yönde basma hasarı, e) cam fiber boruda fibere dik yönde çekme hasarı ... 37 Şekil 4.14 Cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapının test sonuçları ile analiz
sonuçlarının karşılaştırılması ... 38
8 TABLO DİZİNİ
Tablo 3.1 Hexion MGS L285-H285 reçine sisteminin mekanik özellikleri ... 16 Tablo 3.2 Quadriaxial cam elyaf fiberinin malzeme özellikleri ... 166 Tablo 4.1 Quadriaxial fiber epoxy sistem katmanın mekanik özellikleri ... 29
9
ÖZET
Bu çalışmada, sandviç kompozit panellerin eğilme rijitliğini arttırmak amaçlanmıştır. Bu amaçla dört farklı göbek yapısı incelenmiştir. Bu göbek yapıları, köpük göbek, delik içeren köpük göbek, kompozit borularla güçlendirilmiş köpük göbek ve sadece kompozit boru takviyeli göbektir. Sandviç panelin yüz plakalarını imal etmek için vakum infüzyon yöntemi kullanılmıştır. Yüzey plakaları ve göbek yapıları, epoksi reçine ve epoksi esaslı tutkal kullanılarak yapıştırılmıştır. Boru takviyeli göbek yapısının imalat yönteminin kolay olduğu belirtilmelidir.
Sandviç panellerin eğilme ve sıkıştırma dayanımlarını ölçmek için eğilme ve sıkıştırma testleri gerçekleştirilmiştir. Eğme test sonuçları, kompozit boruyla güçlendirilmiş köpük göbeğinin en yüksek eğilme mukavemetine sahip olduğunu göstermektedir. Kompozit boru takviyeli sandviç panelin, test sırasında tüplerin kaymasından kaynaklanan kuvvet-yer değiştirme eğrisinin başlangıç kısmında bir kayma hatası olduğu da bulunmuştur. Köpük malzemesi yükü eşit şekilde dağıtarak kompozit borular ile güçlendirilmiş köpük çekirdeğin çekirdeği için düzgün yük-yer değiştirme eğrisi elde edilmiştir.
Sandviç panellerin bükme davranışını simule etmek için sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak bir model geliştirildi. Her bir sandviç panel analiz edilmiş ve test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Simülasyon, hem köpük göbek hem de delikli köpük göbek için yakın sonuçlar vermiştir. Test sonuçları ile kıyaslandığında analizler, kompozit boru takviyeli göbek için daha yüksek eğilme rijitliğini vermiştir. Daha yakın sonuçlar elde etmek için kompozit boruların kayması modele dahil edilmesi gerekmektedir.
Anahtar Kelimeler: Sandviç yapılar, Sonlu Elemanlar Yöntemi, köpük göbekli sandviç, vakum infuzyon yöntemi
10
ABSTRACT
In this study, it is aim to increase the bending rigidity of sandwich composite panels. For this purpose, four different core structure were studied. These core structures are a foam core, a foam core included holes, a foam core reinforced with composite tubes, and only composite tube reinforced core. Vacuum infusion method was used to manufacture the face sheets of the sandwich panel. Face sheets and the core structures were adhered using epoxy resin and an epoxy based glue. It should be noted that the manufacture method of composite tube reinforced core material was easy.
To measure the bending and compression strength of the sandwich panels, bending and compression tests were conducted. The bending test results show that foam core reinforced with composite tube give the highest bending strength. It is also found that composite tube reinforced sandwich panel has a slip failure at the initial portion of the force-displacement curve, which is due to the slip of tubes during the test. Foam material distributes the load evenly so that smooth load-displacement curve was obtained for the core of foam core reinforced with composite tubes.
To simulate the bending behavior of sandwich panels, a model was developed using finite element method. Each sandwich panels were analyzed and compared to the test results. The simulation gave close results for both the foam core and the foam core included holes. Compared to the test results, the analyzes gave higher bending rigidity for the composite tube reinforced core. For closer results, the composite tube slip must be included in the model.
Key Words : Sandwich panels, Finite Element Method, foam core sandwich, vacuum infusion method.
11
1.GİRİŞ
Polimer esaslı kompozit malzemeler günümüzde uzay ve havacılık, gemi inşa, spor gereçleri ve otomotiv sektörlerinde yaygın olarak kullanılan malzemelerdir. Bu tür malzemelerin en önemli özelliği birim ağırlık başına yüksek mukavemete sahip olmalarıdır. Yüksek proformansa sahip kompozit malzemeler sürekli elyafla takviye edilmiş polimerik tabanlı malzemeler olup genellikle vakum infüzyon yöntemi ile kalıba önceden serilmiş elyaf malzemesinin vakum altında reçine ile beslenmesi yöntemiyle üretilirler.
Elyaf takviyeli kompozit sandivic yapılar genellikle havacılık, otomotiv ve gemi inşa sektöründe yer, tavan ve duvar panelleri olarak kullanılmaktadırlar. Kompozit sandivic paneller eğilme dayanımları yüksek olacak şekilde tasarlandıkları için örneğin büyük ölçülerdeki yerlerde taban malzemesi olarak kullanılabilirler. Kompozit sandivic panellerin göbek kısımlarında çeşitli malzemeler kullanılmaktadır. Bu malzemelerin başında en yaygın olarak kullanılanları köpük ve bal peteği (honey comb) olarak adlandırılan yapılardır. Göbek kısmında bu malzemelerin yaygın olarak kullanılmalarının sebebi bu malzemelerin ya da yapıların düşük yoğunluğa sahip olmalarıdır. Fakat düşük yoğunluğa sahip olan bu malzemelerin kesme, kayma ya da bası dayanımları çok düşüktür. Bu dezavantajlardan dolayı araştırmacılar farklı malzeme ya da yapı geliştirme yoluna gitmektedirler.
Bu çalışmada sandivic paneller için farklı şekillerde amaçına yönelik göbek malzemeleri geliştirilmiştir. Göbek malzemesi olarak, sandivic panellerin yüzey katmanlarına benzer uzun elyaf takviyeli ve çeşitli şekillerde kompozit malzemeler kullanılmıştır. Proje önerisinde trapez dalgalı göbek yapısı üretim için örnek verilmişti.
Metal lokmaların üretilen sandviç yapıdan ayrılması konusunda problemler yaşandığı için göbek yapısı değiştirilmiştir. Yeni göbek yapısında silindirik kompozit borular kullanılarak sandviç yapının eğilme ve basma dayanımları araştırılmıştır.
Deneysel araştırmaların yanı sıra sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak sandivic panellerin eğilme rijitlikleri deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır.
Bu çalışmalar sonucunda kompozit sandivic panellerin eğilme dayanımının iyileştirilmesine ek olarak kesme ve basma dayanımınlarında da iyileşme elde edilmiştir.
2. KAYNAK ÖZETLERİ
Kompozit sandvic paneller inşaat sektörü uygulamalarında genellikle taban panlelleri olarak ve ulaşım endüstrisinde yüksek dayanım/ağırlık oranlarına ve yüksek korozyon direncine sahip olduklarından dolayı tercih edilmektedirler. Kompozit sandivic panellerin yukarda belirtilen tercih nedenleri araştırmacıların ilgisini çekmiştir.
Bu kapsamda farklı kompozit sandivic paneller tasarlanıp üretilmiştir.
Wang ve arkadaşları göbek malzemesi olarak 2 boyutlu kafes yapılar kullanarak kompozit sandivic paneller üretmişlerdir. Şekil 2.1’ de görülmektedir. Üretim yöntemi olarak sıcak presleme ve üretim malzemesi olarak T700/TDE85 prepreg sistemi kullanmışlardır. Önceden hazırlanmış silidirik kalıp boşluklarına prepregler yuvarlatılıp
12
yerleştirilmiştir. Kalıp lokmaları kapatıldıktıktan sonar alt ve üst yüzey katmanları kalıbın alt ve üst kısmına serilip tüm sitem sıcak preste preslenmiştir. Yuvarlatılıp alıp boşluklarına yerleştirilen prepreglerin alt ve üst ısımları yüzey katmanlarının içine gireçek şekilde alıplar tasarlanmıştır. Bunun amaçı delemisyon hasarını azatmaktır.
Bu yöntem ile üretilen sandivic panellere daha sonra çekme-basma test makinası kullanılarak basma, kayma ve üç noktadan eğme testleri yapılmıştır. Sonuçlara bakıldığında yüzey katmanlarına giren destek elemanlarının bulunduğu bölgelerdeki delaminasyon en başta gelen hasar tipi olarak gözlemlenmiştir.
Şekil 2.1 Göbekte kullanılan dikey kompozit kirişler.
Xu ve arkadaşları yukarıda bahsedilen kafes yapılı sandivic yapıları oluşturan destek elemanlarının dağılımları ve destek elemanlarının açıları ile ilgili çalışmalar yapmışlardır. Şekil 2.2’ de görülmektedir. Göbek kısmını oluşturan destek elemanları uzunluk boyunca kademeli olarak değiştirilip optimum dağılım araştırılmıştır. Optimum dağılım yapının üç notadan eğme davranışına göre yapılmıştır.
Şekil 2.2 Göbekte kullanılan açılı kompozit kirişler
Fan ve arkadaşları kıvrımlı dokuma sandivic paneller üretmişlerdir. 3-boyutlu dokuma metodu kullanılarak yüzey-göbek ayrılma dirençi arttırılmıştır. Baz mekanik testler yapılarak hasar modları ve hasar davranışları belirlenmiştir. İzotropik olmayan bir geometriye sahip olan bu sandivic paneller farklı yönlerde bası, kayma ve üç noktadan eğme testleri ile test edilmişlerdir. Test sonuçlarına bakıldığında eğilme testlerinde yüzey-göbek ayrılması gözlemlenmemiştir. Göbek yapı sinus dalgası şelinde bir kıvrılma geometrisine sahip olduğundan kayma dayanımının düşük çıktığı gözlemlenmiştir. Fan ve arkadaşları trapez geometrisindeki bir göbek yapısının kayma dayanımının daha yüksek çıkaçağını ön görmüşlerdir. Farklı yönlerdeki düzlemsel basma dayanımlarının farklı olduğu yapılan testler sonuçunda gözlemlenmiştir.
Fan ve diğerleri Kagome adı verilen bir kafes yapısını sandivic yapıların göbek kısmına uygulayıp kompozit panel üretmişlerdir. Şekil 2.3’te gösterilmiştir. Karbon fiber ile desteklenmiş kafes çerçevelerin köpük ve bal peteği yapılarına kıyasla daha rijit ve sağlam olduğu gözlemlenmiştir. Burkulma ve yüzey-göbek ayrılması üretilen panellerin mekanik özelliklerini önemli ölçüde etkilemişlerdir. Araştırmacıların başka bir makalesine yüzey-göbek ayrılmasını önlemek için farklı kalınlıkta ve farklı istifleme
13
açılarında bir yüzey katmanı kullanılmıştır. Ayrıca yapıştırıcı maddenin kırılma tokluğunun artılması ve göbek yapısını oluşturan hücrelerin boyutlarının küçültülmesi yüzey-göbek ayrılma direncini artıracağı çalışmalarında ön görülmüştür.
Şekil 2.3 Kagome geometrisinde göbek yapısı
Mohamed ve arkadaşları farklı göbek tasarımları için poliüretan köpük malzemesi kullanarak sandvic paneller üretmişlerdir. Göbek yapısı olarak kutu şeklinde ve trapez kıvrımlı geometriler kullanmışlardır, Şekil 2.4’ te gösterilmiştir.
Panelleri vakum infüzyon yöntemi kullanarak üretmişlerdir. Yapılan testler sonuçunda trapez geometrili göbek tasarımının eğilme dayanımının diğer geometrilere göre dört kat daha fazla çıktığı gözlemlenmiştir.
Şekil 2.4 Polyüretanın köpük göbek malzemesi olarak kullanılması Fan ve aradaşları başka bir çalışmalarında kompozit sandivic yapıların süneklik davranışlarını iyileşitrmek için göbek malzemesi için piramid şekilli cam elyaf takviyeli kafes destek elemanları kullanmışlardır. Şekil 2.5’te gösterilmiştir. Ezme test grafiklerine bakıldığında uzun stabil bir plato gözlemlenmiştir. Bu da bu şekildeki yapının yüksek enerji emme potansiyeli olduğunun bir göstergesidir.
Şekil 2.5 Piramit yapısında göbek malzemesi
Sonuç olarak literatüre bakıldığında çeşitli formlarda kompozit sandivic yapılar üretilip mekanik davranışları incelenmiştir. Fakat hepsinin kendi içinde dez avantajları
14
mevcuttur. Örneğin bazıları yapıların üretimi çok karmaşık ve zor, bazı yapıların ise yapışma yüzeyleri çok az olduğu için yüzey-göbek ayrılması meydana gelmektedir.
Bu çalışmada önerdiğimiz kompozit sandivic yapı öngörüldüğü üzere diğer yapılardan üretim kolaylığı ve yüzey-göbek ayrılmasını azaltması noktasında daha avantajlıdır.
3. MATERYAL VE YÖNTEM
Bu çalışmada vakum infuzyon yöntemi kullanılarak dört faklı tipte kompozit sandviç yapı üretilmiştir. Bu yapılar, sadece köpük ile güçlendirilmiş, delikli köpük ile güçlendirilmiş, sadece kompozit boru ile güçlendirilmiş ve köpük içerisine yerleştirilmiş kompozit boru ile güçlendirilmiş yapılardır. Tüm yapılarda yüzey plakaları ile göbek yapıları ayrı ayrı üretilip sonradan yapıştırılmıştır. Üretim yöntemleri ilerleyen alt başlıklarda detaylı olarak anlatılacaktır. Üretilen sandviç yapılardan standartlara göre numuneler kesilmiş olup standartlarda belirtilen kurallara göre basma ve üç nokta eğme testleri yapılıp sonuçlar karşılaştırılmıştır.
3.1 Kompozit Yüzey Plakasının Üretimi
Kompozit yüzey plakaları vakum infüzyon yöntemi kullanılarak üretilmiş olup yöntem şematik olarak Şekil 3.1’de gösterilmiştir. Üretimde kullanılan malzemeler şekil üzerinde gösterilmiştir. Vakum İnfuzyon yöntemi ana elemanları aşağıda kısaca verilip açıklanmıştır. Belirli oryantasyondaki elyaflar kalıp üzerine yerleştirilmiştir. Kalıp olarak cam kullanılmıştır. Elyaflar serilmeden önce cam kalıp yüzeyine kalıp ayırıcı vaks uygulanmıştır. Bu vaks reçinenin kalıp yüzeyine yapışmasını engelleyip üretim sonunda kompozit plakanın kalıptan kolayca ayrılmasını sağmaktadır. Elyaflar serildikten sonra vakum torbasının elyaflardan ayrılmasını sağlayan sök at kuması (peel ply) uygulanır. Sök at kumaşının üzerine reçinenin tüm elyaf yüzeyini ıslatmasını sağlayan akış filesi uygulanır. Tüm malzemeler yerleştirildikten sonra tüm malzemeleri kaplayan vakum torbası hava sızdırmazlık bandı ile cam yüzeye yapıştırılır. Kalıbın bir tarafındaki reçine kalıbın diğer tarafındaki vakum pompası yarımı ile elyaflara emdirilir.
Torbalama işlemi sonunda elde edilen görüntü Şekil 3.2’de verilmiştir. 24 saat beklendikten sonra kompozit plaka cam kalıptan ayrılır.
15
Şekil 3.2 Vakum İnfüzyon Yönteminin Şematik Olarak Gösterimi.
Şekil 3.2 Torbalama İşlemi Sonunda Çekilen Görüntü
Spiral hortum
16
3.1.1 Kompozit Plaka Üretiminde Kullanılan Malzemeler
Vakum infuzyon yöntemi için epoksi reçine ve sertleştiricisi kullanılmıştır. Reçine için MGS L285 ve serleştirici için H285 kullanılmıştır. Bu reçine sistemi için reçineye ağırlıkça %40 oranında serleştirici eklenmektedir. Bu reçine sisteminin jelleşme süresi 45 dakika olarak verilmiştir. Reçine ve sertleştiricisi vakum fırınında 10 dakika bekletilerek karışım içinde oluşan hava kabarcıkları elemine edildikten sonra vakum infuzyon sistemine verilmiştir. Reçinenin mekanik özellikleri Çizelge 3.1 de verilmiştir.
Tablo 3.1Hexion MGS L285-H285 reçine sisteminin mekanik özellikleri
ÖZELLİK DEĞERİ
Çekme gerilmesi [MPa] 70-80 Basma gerilmesi [MPa] 120-140 Elastisite modülü [GPa] 3.2
Poisson oranı 0.36
Kayma modülü [GPa] 1.18
Yüzey panelleri için cam elyaf tercih edilmiştir. Q625 E10C kodlu 0/-45/90/45 Quadriaxial cam elyaf kullanılmıştır. E-Cam elyaf fiber malzemesinin özellikleri Çizelge 3.2 de verilmiştir.
Tablo 3.2Quadriaxial cam elyaf fiberinin malzeme özellikleri (Metyx)
ÖZELLİK DEĞERİ
Elastisite modülü [GPa] 72.4
Poisson oranı 0.22
Kayma modülü [GPa] 26.2
3.2 Kompozit Sandviç Göbek Yapısında Kullanılan Malzemeler
Kompozit göbek yapısını oluşturmak için köpük ve cam fiber boru kullanılmıştır.
Köpük malzemesi için 20 mm kalınlığında XPS DT kullanılmıştır. Köpük malzemenin basma dayanımı 0.1 MPa’dır []. Çam fiber boru, epoksi reçineden çekme-sarma yöntemiyle yüksek ölçü hassasiyetinde üretilmiştir. 0 derece cam fiber liflerin üzerine +37/-37/89 derece sargı yapılarak üretilmiştir. Fiber boruların dış çapı 30 mm ve kalınlığı 1.5 mm’dir. Köpük ve cam fiber boru Şekil 3.3 te gösterilmiştir.
17
Şekil 3.3 Köpük ve cam fiber boru.
3.3 Kompozit Sandviç Panel Üretimi
Dolu köpük sandviç panel üretimi (KD kısaltması ile)
Cam elyaftan üretilen kompozit plakalar 300x300 mm ve köpük 300x300 mm ölçüsünde kesilmiştir. Kesilen malzemeler yapıştırıcı ile birbirlerine presleme yöntemi kullanılarak sandviç panel üretilmiştir (Şekil 3.4 a).
Delikli köpük sandviç panel üretimi (K kısaltması ile)
Cam elyaftan üretilen kompozit plakalar 300x300 mm ve köpük 300x300 mm ölçüsünde kesilmiştir. Kesilen köpük üzerine aparat yardımı ile Ø30mm delikler açılmıştır. Presleme yöntemi ile delik formlu sandviç panel üretilmiştir (Şekil 3.4 b).
Delikli köpük boru ile desteklenmiş sandviç panel üretimi (KB kısaltması ile) Cam elyaftan üretilen kompozit plakalar 300x300 mm ve köpük 300x300 mm ölçüsünde kesilmiştir. Kesilen köpük üzerine aparat yardımı ile Ø30mm delikler açılmıştır. Bu deliklere Ø30/27x20 boyutunda, 5,5 gr ağırlığında cam fiber borular yerleştirilmiş ve presleme yöntemi ile delik formları boru ile desteklenmiş sandviç panel üretilmiştir (Şekil 3.4 c).
Sadece boru ile desteklenmiş sandviç panel üretimi (B kısaltması ile)
Cam elyaftan üretilen 300x300 mm boyutlu kompozit plakaların arasına bır aparat kullanılarak cam fiber borular yerleştirilip preslenerek sadece boru destekli kompozit panel üretilmiştir (Şekil 3.5).
18
Şekil 3.4 a) deliksiz sandviç panel, b) delikli sandviç panel, c) delik formları cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç panel.
Şekil 3.5 Sadece cam fiber boru ile güçlendirilmiş sandviç panel.
Dört farklı çeşitte üretilen kompozit paneller ASTM C-393 standardına göre 75x220 mm ölçüsünde sulu fayans kesme makinası kullanılarak kesilmiştir. Kesilen numuneler Şekil 3.6 da verilmiştir.
19
Şekil 3.6 Standartlara göre kesilmiş numuneler.
3.4 Eğilme ve Basma Testleri
Testler Çorlu Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği bölümünde bulunan çekme-basma test makinası kullanılarak yapılmıştır. 3 nokta eğme testleri ASTM C- 393 test standardına göre yapılmıştır. Test düzeneği Şekil 3.7 da gösterilmiştir. Test makinasının markası ATAŞ’ tır ve kapasitesi 100 kN’ tur. 3 nokta eğilme test düzeneğinin alt destek noktaları arasındaki mesafe 150 mm olarak ayarlanmıştır. Test 2 mm/dk hızla gerçekleştirilmiştir.
20
Şekil 3.7 3 nokta eğilme test düzeneği.
Basma test düzeneği Şekil 3.8 de verilmiş olup testler aynı makinede 2 mm/dk hızla gerçekleştirilmiştir. Test makinasının çene pozisyonlama fonksiyonu olmadığından numunelerin alt kısmı çelik bloklar ile beslenmiştir.
Şekil 3.8 Basma fikstürü.
3.5 Eğilme ve Basma Test Sonuçları
Dört farklı konfigürasyonda üretilen kompozit sandviç numunelerin eğilme testleri gerçekleştirilmiş olup kuvvet-deplasman eğrileri sırasıyla dolu köpük sandviç, delikli köpük sandviç, sadece boru ile desteklenmiş sandviç ve delikli köpük boru ile desteklenmiş sandviç Şekil 3.9, Şekil 3.10, Şekil 3.11, ve Şekil 3.12 de verilmiştir.
21
Şekil 3.9 Dolu köpük sandviç panel için 3 nokta eğilme testi altında yük- deplasman eğrisi
Şekil 3.10 Delikli köpük sandviç panel için 3 nokta eğilme testi altında yük- deplasman eğrisi
22
Şekil 3.11 Sadece boru ile desteklenmiş sandviç panel için 3 nokta eğilme testi altında yük-deplasman eğrisi
Şekil 3.12 Delikli köpük boru ile desteklenmiş sandviç panel için 3 nokta eğilme testi altında yük-deplasman eğrisi
Tüm eğrileri aynı grafik (Şekil 3.13) üzerinde gösterecek olursak delikli köpük cam fiber boru ile güçlendirilmiş konfigürasyon en fazla yükü taşımaktadır. Yaklaşık olarak delikli köpüğün 2 katı kadar yük taşımaktadır. Sadece cam fiber boru ile güçlendirilmiş göbek yapısı ilk kısımda yüksek eğilme rijitliği gösterse de ilerleyen
23
deplasman değerlerinde ani yük kayıpları göstermiştir. Göbek yapısının köpük içermesi yapının daha kararlı bir hal almasına neden olmuş ve daha yüksek yük değerlerine ulaşmasını sağlamıştır. Burada köpük malzemesi alt ve üst plakalarla göbek kısmının temas yüzey alanını artırmıştır. Deney esnasında çekilen fotoğraflara bakılacak olunursa sadece boru ile güçlendirilmiş yapıda yapışma yüzeylerindeki hasarlar düşük deplasman değerlerinde gözlenmektedir. Şekil 3.14’ te belirli yük altında sandviç panellerin çekilmiş fotoğrafları gösterilmiştir.
Şekil 3.13 Tüm sandviç panellerin yük-deplasman eğrileri
24
Şekil 3.14 Sandviç panellerin yük altında çekilmiş fotoğrafları
25
Test sonunda çekilen fotoğraflar Şekil 3.15 te gösterilmiştir. Şekilde her bir setten bir numunenin üstten ve yandan bir görüntüsü verilmiştir. Dolu köpüklü numunede yüzey plaka hasarı oluşmaktadır. Burada fiber kopmaları gözlemlemiştir.
Şekil 3.14 te gözlemlenen köpüğün şekil değişiminde bir geri esneme durumu oluştuğu Şekil 3.15 te ki görüntüden anlaşılmaktadır. Aynı gözlem delikli köpük numune içinde geçerlidir. Delikli köpük numunelerin bir hasar oluşmadan fazla deformasyona müsaade etmesi test fikstürünün kapasitesini aştığı için test durdurulmuştur. Yüzey plakasında hasar oluşmamasının sebebi budur fakat numune tamamen eski formuna geri dönememiştir, numune üzerinde plastik şekil değişimi gerçekleşmiştir. Delikli boru ve cam fiber boru ile güçlendirilmiş sandviç yapının yüzey plakalarında fiber kopmaları gözlenmiştir. Köpük malzemesinde yüzeye paralel ve dik yönde köpük yırtılmaları şekil üzerinde belirtilmiştir. Bu köpük yırtılmalar, köpük içerisine yerleştirilen cam fiber boruların kaymasından kaynaklanmaktadır. Cam fiber borular alt ve üst yapışma yüzeylerinden ayrılıp kaymaktadırlar. Borulardaki bu kayamalar köpük malzemesine kesme ve çekme etkisi yaratmaktadırlar.
Şekil 3.15 Numunelerin test sonunda çekilmiş görüntüleri
Basma test sonucunda elde edilmiş kuvvet-şekil değiştirme eğrileri Şekil 3.16 da gösterilmiştir. Şekilde sadece cam fiber borunun, bir hücreden oluşan cam fiber boru ile güçlendirilmiş köpüğün ve dört hücreden oluşan cam fiber boru ile güçlendirilmiş köpüğün eğrileri verilmiştir. Köpük ve boru birleşiminden oluşan yapının basma dayanımı sadece cam fiber borudan yapılmış yapının basma dayanımından bir miktar düşük çıkmıştır. Bunun sebebi köpüklere yerleştirilen boruların yüzeylerinin plaka eksenine paralel olmamasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu test sonunda numune üzerinden alınan görüntülerden anlaşılmaktadır.
26
Şekil 3.16 Basma testlerinden elde edilmiş yük- deplasman eğrileri
Test sonunda numunelerden alınan görüntüler Şekil 3.17 de verilmiştir. Köpüklü yapıdaki boruların hasarlarına bakılırsa boruların üst yüzey alanları homojen olarak hasara uğramamıştır. Grafikte yeşil eğrilere bakıldığında 2.5 mm deplasmana kadar eğrinin eğimi sonrasına kıyasla oldukça düşüktür bunun sebebi burada yükü köpüğün taşıdığı gözükmektedir. Diğer taraftan sadece borunun test edilmesinde hasar borunun üst kısmında homojen olarak dağılmıştır. Aynı problem dört hücreli numunelerde de gözlemlenmiştir. Dört hücreli numunelerde ulaşılan yük değeri tek hücreliye göre dört kat çıkmamıştır. Bu da aynı problemden kaynaklanmıştır. Burada boruların hassas kesimi önem kazanmaktadır. Boruların kesimi sulu fayans kesme makinası ile gerçekleştirilmiştir. Kesildikten sonra alt ve üst yüzey paralelliği için ayrı bir zımparalama işlemi gerekmektedir.
Şekil 3.17 Basma test sonunda alınmış görüntüler
27
4. SAYISAL ANALİZ
4.1 Modelin oluşturulması
Sayısal analiz işlemleri Abaqus paket programında yapılmıştır. Modelde 3 nokta eğilme testi analiz edilmiştir. Üretilen dört faklı göbek yapısındaki sandviç panelin modeli oluşturulmuştur. Bu modeller Şekil 4.1 de gösterilmiştir. Modellerde silindirik metaller rijit olarak kabul edilmiştir. Numunenin altındaki silindirik elemanlar 3 yönde (x, y, z ) hareketsiz ve üstteki silindirik eleman 2 yönde (x, y) hareketsiz olarak sınırlandırılmıştır. Üstteki silindirik elemana z yönünde 30 mm deplasman uygulanmıştır.
Şekil 4.1 Numune modelleri (a) dolu köpüklü sandviç, (b) delikli köpüklü sandviç, (c) cam fiber boru ile güçlendirilmiş sandviç, (d) sadece cam fiber boru ile
güçlendirilmiş sandviç
Kompozit yüzey plakaları ve cam fiber borular kabuk elemanlar kullanılarak modellenmiş olup SR4 kabuk elemanlar kullanılmıştır. Köpük malzemede ise C3D8R üç boyutlu 8 düğümlü katı elemanlar kullanılmıştır. Şekil 4.2 da seçilmiş iki modelin ağ yapısı gösterilmiştir.
Göbek yapısı ve alt ve üst yüzey plakaları birbirine bağlanmış (tie constraint) olup bağlama yüzeylerinde birbirine göre hareket sınırlandırılmıştır.
28
Şekil 4.2 Üstte cam fiber boru ile güçlendirilmiş köpüklü sandviçin, altta ise sadece fiber boru ile güçlendirilmiş sandviçin sonlu elemanlar ağ yapısı
Fiber oryantasyonları tanımlamak için kabuk elemanlarda kompozit istifleme (composite layup) yöntemi kullanılmıştır. Alt ve üst yüzey kabuklarda ki fiber oryantasyonları Şekil 3.20 de gösterilmiştir olup 16 kat lamina kullanılmıştır. Plakaların kalınlığı 2.4 mm olarak ölçüldüğünden her bir katın kalınlığı 0.15 mm olarak alınmıştır.
Göbek kısmında kullanılan cam fiber borular dört katman olacak şekilde kabul edilmiş olup her bir katmanın kalınlığı 0.375 mm olarak alınmıştır. Fiber yönelimleri önceki kısımda verilmiştir. Katmanlar için tanımlanan kompozit malzemenin mekanik özellikleri Tablo 4.1 de verilmiş olup Uzal’ın tezinden alınmıştır. Göbek yapısında kullanılan köpük malzemesinin elastisite modülü 15 Mpa, Poisson oranı 0.35, ve akma dayanımı için 0.25 MPa ölçülmüştür ve modelde bu değerler kullanılmıştır.
29
Şekil 4.3. Alt ve üst yüzey plakalarında kullanılan fiber yönelimleri
Tablo 4.1Quadriaxial fiber epoxy sistem katmanın mekanik özellikleri
ÖZELLİK DEĞERİ
Fiber yönünde elastisite modülü [GPa]
30 Fiber eksenine dik yönünde
elastisite modülü [GPa]
5
Yüzeyde Poisson oranı 0,29
Kayma modülü [GPa] 1.8
Fiber yönünde çekme dayanımı [MPa]
612 Fiber yönünde basma dayanımı
[MPa]
-600 Fiber eksenine dik yönünde çekme
dayanımı [MPa] 69
Fiber eksenine dik yönünde basma dayanımı [MPa]
-120
Kayma dayanımı [MPa] 40
4.2 Analiz Sonuçları
Dört farklı konfigürasyon için analiz sonuçları elde edilmiştir. Model kompozit malzeme için lineer malzeme modeli kullanılmış olup, köpük malzeme için akma
30
dayanımı verileri kullanılarak köpük malzemenin kalıcı şekil değişimi göz önünde bulundurulmuştur. Şekil 4.4 te dolu köpüklü göbek yapısının analiz sonuçları verilmiştir.
Buradaki a şeklinde yüzey plakalarında oluşan gerilme değerleri b şeklinde ise köpük malzemesinde oluşan gerilme değerleri verilmiştir. Şekil 4.5 te ise köpük malzemesinde plastik şekil değiştiren bölgeler ve Hashin kriterine yüzey plakalarında hasarın oluşmasına aday bölgeler ve hasar tipleri gösterilmiştir. 10 mm deformasyon altında yüzey plakalarında hasar oluşmamıştır çünkü Hashin kriterine göre şekilde verilen (b, c, d, e şekilleri için) değerlerin 1’e ulaşması gerekmektedir. Bununla beraber köpük malzemesinde plastik şekil değişimi gerçekleşmiştir.
Şekil 4.4 Dolu köpüklü yapıda oluşan gerilme dağılımı
31
Şekil 4.5 Dolu köpüklü yapıda plastik şekil değişimi ve Hashin kriterine göre hasar oluşan bölgeler, a) köpük malzemede plastik şekil değişimi b) kompozit
32
yüzeyde fiber basma hasarı, c) kompozit yüzeyde fiber çekme hasarı, d) kompozit yüzeyde fibere dik yönde basma hasarı, e) kompozit yüzeyde fibere dik yönde çekme
hasarı
Deneysel yük-deplasman eğrisi ile analiz sonucu karşılaştırılacak olursa, analiz sonucu test sonucuna çok yakın çıkmıştır. Şekil 4.6 da dolu köpüklü sandviç yapının test ve analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Şekildeki SEA, Sonlu Elemanlar Analiz sonucunu temsil etmektedir.
Şekil 4.6 Dolu köpüklü sandviç yapının test sonuçları ile analiz sonuçlarının karşılaştırılması
Delikli köpüklü sandviç yapı için elde edilen gerilme dağılımları Şekil 4.7 de verilmiştir. Yüzey plakalarında 10 mm deplasman altında hasar oluşmamıştır. Bu yapı içinde analiz sonuçları test sonuçlarını yüksek doğrulukta yakalamıştır (Şekil 4.8).
33
Şekil 4.7 Delikli köpüklü sandviç yapıda oluşan gerilme dağılımı
Şekil 4.8 Delikli köpüklü sandviç yapının test sonuçları ile analiz sonuçlarının karşılaştırılması
Delikli köpük cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapı için gerilme dağılımı ve hasar dağılımları sırasıyla Şekil 4.9 ve Şekil 4.10 da verilmiştir. Şekil 4.10 (e) de görüldüğü üzere ilk hasar 4.19 mm deplasmanın da gerçekleşmiş ve hasar tipi de reçine çekme dayanımın aşılması sonucu oluşmuştur. Bu hasar cam fiber borularda
34
gerçekleşmiştir. Yüzey plakalarındaki hasarlar 10 mm den sonra gerçekleşmektedirler.
Yüzey plakalarında oluşan hasarlar fiber yönünde basma dayanımının aşılması ve reçine bası ve çeki dayanımının aşılması sonucunda gerçekleşmektedirler. Bu mertebede fiber kopması oluşmamaktadır. Şekil 4.11 de test sonuçları ve analiz sonucu karşılaştırılmıştır. Bu sandviç yapısında önceki iki sandviç yapısı gibi yakın sonuçlar elde edilememiştir. Bunun sebebi cam fiber boruların yüzey plakalarına hareket edemeyecek şekilde bağlanmasıdır. Test sırasında cam fiber boruların kaydığının gözlemlendiği önceki kısımda belirtilmişti. Dolayısı ile bu kadar yüksek rijitliğin çıkmasının sebebi budur. Bu çalışmanın devamında cam fiber boruların kaymasının modele eklenmesi gerekmektedir.
Şekil 4.9 Delikli köpük cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapıda oluşan gerilme dağılımı
35
Şekil 4.10 Delikli köpük cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapıda Hashin kriterine göre hasar oluşan bölgeler, a) kompozit yüzeyde fiber basma hasarı, b) kompozit yüzeyde fibere dik yönde basma hasarı, c) kompozit yüzeyde fibere dik yönde çekme hasarı, d) cam fiber boruda fibere dik yönde basma hasarı, e) cam fiber
boruda fibere dik yönde çekme hasarı
36
Şekil 4.11 Delikli köpük cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapının test sonuçları ile analiz sonuçlarının karşılaştırılması
Sadece cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapıda da benzer gerilme dağılımları bulunmuştur. Gerilme dağılımları ve hasar bölgeleri sırasıyla Şekil 4. 12 ve 4.13 te verilmiştir. Bu yapıda ilk hasar 4.09 mm de cam fiberlerde reçine çeki dayanımının aşılması sonucu oluşmuştur. Şekil 4.14 te test sonuçları ile analiz sonucu karşılaştırılmıştır. Burada da cam fiber boruların kaymasının modellenmemesi sonucu yüksek rijitlik değerleri elde edilmiştir.
Şekil 4.12 Sadece cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapıda oluşan gerilme dağılımı
37
Şekil 4.13 Cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapıda Hashin kriterine göre hasar oluşan bölgeler, a) kompozit yüzeyde fiber basma hasarı, b) kompozit yüzeyde
fibere dik yönde basma hasarı, c) kompozit yüzeyde fibere dik yönde çekme hasarı, d) cam fiber boruda fibere dik yönde basma hasarı, e) cam fiber boruda fibere dik
yönde çekme hasarı
38
Şekil 4.14 Cam fiber ile güçlendirilmiş sandviç yapının test sonuçları ile analiz sonuçlarının karşılaştırılması
5. SONUÇ VE ÖNERİLER
Bu çalışmada cam fiber takviyeli sandviç yapılar araştırılmıştır. Dört farklı göbek yapısı ile kompozit sandviç panel üretilmiştir. Bunlar dolu köpüklü sandviç, delikli köpüklü sandviç, cam fiber boru ile güçlendirilmiş sandviç ve köpük cam fiber boru ile güçlendirilmiş sandviç panellerdir. Bu sandviç panellerin yüzey plakaları vakum infuzyon yöntemi ile üretilmiştir. Yüzey plakaları göbek yapısına yapıştırma yöntemi ile birleştirilmiştir.
Üretilen sandviç paneller standartta belirtilen boyutlarda kesilerek eğme ve basma testleri yapılmıştır. Eğme test sonuçlarına göre köpük içerisine gömülen fiber borular panelin eğilme dayanımı arttırmaktadır. Cam fiber borular yalnız kullandığında ise düşük deplasman değerlerinde hasara uğrayarak karasız bir davranış göstermektedir.
Deneysel çalışmanın yanı sıra sonlu elemanlar analizi kullanılarak üretilen sandviç sandviç panellerin modelleri oluşturulup analizleri yapılmıştır.
Analiz sonuçları sadece köpük yapılı sandviç panellerde test sonuçlarını çok iyi
39
yakalamaktadır. Bunun yanı sıra cam fiber kullanılmış yapılarda yetersiz sonuçlar elde edilmiştir. Bunun sebebi modelin cam fiber boruların test esnasında kayasını içermemesidir. Cam boruların yerinde kalması sandviç panelin rijitliğini çok artıtmıştır.
Bu çalışma farklı rijitliklerde köpükler ile de denenerek sandviç panelin rijitliği optimize edilebilir. Bunun yanı sıra cam fiber boru yapıların bir birine bir şekilde bağlanması yapının kararlılığını daha da artırabilir.
6. KAYNAKLAR
Fan H., Yang L., Sun F., Fang D., (2013), Compression and bending performances of carbon fiber reinforced lattice-core sandwich composites, Composite Part A, 52, 118-125
Fan H., Qu Z., Xia Z., Sun F., (2014), Designing and compression behaviours of ductile hierarchical pyramidal lattice composites, Materials and Design, 58, 363-367 Fan H.L., Meng F.H., Yang W., (2007), Sandwich panels with Kagome lattice cores reinforced by carbon fibers, Composite Structures, 81, 533-539
HEXION® Specialty Chemicals, Laminating Resin MGS® L 285 Hardeners
MGS® 285-287 Technical Data Sheet,
http://www.hexion.com/products/technicaldatasheet.aspx?id=30303, last accessed September 2016.
Jin F., Chen H., Zhao L., Fan H., Cai C., Kuang N., (2013), Failure mechanisms of sandwich composites with orthotropic integrated woven corrugated cores:
Experiments, Composite Structures, 98, 53-58
METYX Composites Company – Reinforcements Technical Datasheets.
Mohamed M., Anandan S., Huo Z., Birman V., Volz J., Chandrashekhara K., (2015), Manufacturing and characterization of polyurethane based sandwich composite structures, Composite Structures, 123, 169-179
Uzal, A, (2014), Failure behavior of undulated sandwich plates under out-of- plane loading, Master Thesis.
Wang B., Wu L., Ma L., Wang Q., Du S., (2009), Fabrication and testing of carbon fiber reinforced truss core sandwich panels, Journal of Material Science and Technology, 25, 547-550
Xu G., Zhai J., Zeng T., Wang Z., Cheng S., Fang D., (2015), Response of composite sandwich beams with gradedlattice core, Composite Structures, 119, 666- 676
40
