Heterojen özelliklere sahipyapıştırıcı bağlantılarının elastik gerilme ve burkulma analizi

Abstract

Son yirmi yılda, üstün özellikleri sebebiyle Fonksiyonel Derecelendirilmiş Polimerik Malzemelerin (FDPM) ileri teknoloji gerektiren uzay, havacılık, otomotiv ve askeri alanlarda kullanımının giderek arttığı gözlemlenmektedir. Böylece günümüzde FDPM’den yapılan yapıştırıcı bağlantılarındaki gerilme, burkulma halleri ile delaminasyon (delamination) oluşumlarının mümkün olduğu kadar gerçeğe yakın modellenip, güvenilir yeni çözümler geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Doktora tezinde incelenen yapıştırıcı bağlantılar, son zamanlarda deneysel olarak geliştirilen yeni bir FDPM modeline dayanmaktadır. Deneysel olarak geliştirilen ve Bölüm 2’de sunulan FDPM modeli, epoksi reçine içerisine PAM 96/98 ve PV 60/65 grafit tozlarının %3, %6, %9 ve %12 hacim oranlarında eklenmesi ve savurma döküm yöntemiyle üretilmesi sonucunda elde edilmiştir. Derecelendirilmiş malzeme yapısı ışık mikroskobuyla incelenmiş ve elastisite modüllerinin belirlenmesinde görüntü işleme programı esas alınmıştır. Tez çalışmasında, FDPM kullanılarak yeni tasarlanmış plaklardan oluşan sandviç yapıların burkulma davranışları ve yeni tasarlanmış kirişlerden oluşan tek bindirme bağlantıların gerilme davranışları üzerine odaklanılmıştır. Bölüm 3.1'de düzlem içi kesme kuvveti, normal bası kuvveti ve yayılı yük altındaki, iki farklı bağlantı (noktasal desteklenmiş ve doğrusal desteklenmiş) koşulunda yeni geliştirilmiş FDPM modeline sahip sandviç yapının burkulma davranışı ayrıntılı olarak incelenmiştir. Yapıştırılmış bağlantının burkulma davranışlarının incelenmesi sonlu elemanlar analizi kullanılarak yapılmıştır. Bu incelemenin temel amacı, kritik burkulma yük kapasitesini arttırmak için en uygun grafit tozu tipi ve hacim oranını belirlemektir. Belirli bir bindirme uzunluğunda, iki tabakanın birleştirilmesiyle oluşan tek bindirme bağlantısı uygulamada en yaygın kullanılan yapıştırma bağlantı tipidir ve Bölüm 3.2'de yeni oluşturulan FDPM modeli bu bağlantı tipine de uygulanmıştır. Burada yapıştırılan malzemenin mekanik özellikleri takviye malzemesi olarak grafit tozu kullanılarak iyileştirilmiş olan FDPM’den yapılmış tek bindirme bağlantısının düzgün yayılı çekme yükü ve moment yükü altındaki gerilme davranışı incelenmiştir. Grafit türü ve hacim oranın yer değiştirmelere, kayma, soyulma ve von-Mises gerilmelerine etkisi araştırılmıştır. Yapılan bu tez çalışmasında, yapıştırıcı bağlantılarında daha gerçekçi analizler yapılması için yapıştırıcı tabakanın heterojen özellikte olduğu gerçeği göz önüne alınmıştır. Heterojen yapıştırıcı tabaka, şimdiye kadar yapılan çalışmalardan farklı olarak, içerisinde ortotropik inklüzyon (inclusion) yer alan homojen bir yapıştırıcı tabakası olarak tanımlanmıştır. Yapıştırıcı tabakasında inklüzyon bulunan kayma yüküne maruz yapıştırılmış plak bağlantıları ile düzgün yayılı çekme yüküne maruz inklüzyonlu tek bindirme bağlantıları Bölüm 4’te incelenmiştir. Literatürde şimdiye kadar yapılan çalışmalarda, yapıştırılmış plaklarda heterojen yapışkan tabakanın bağlantı stabilitesine etkisinin, özellikle de kayma yükü altındaki bağlantılar için yeterince incelenmediği görülmektedir. Bu eksiklik dikkate alınarak Bölüm 4.1’de, ortotoropik inklüzyon içeren kayma yüküne maruz yapıştırılmış plak bağlantısı ele alınmıştır. Bağlantı boyunca tek bir yapışkan malzeme kullanılmış ve ortasında ortotropik inklüzyon yer almıştır. Bağlantıdaki yapıştırılan plaklar ise homojen izotrop özelliğe sahiptir. İnklüzyon bölgesi daha genel sonuçlar elde edebilmek için eliptik olarak seçilmiştir. Eliptik geometrinin (c/a) ve inklüzyon malzemesinin burkulma yükü üzerine etkileri incelenmiştir. Yapıştırılmış bağlantılarda, ortotropik özelliğe sahip üç farklı inklüzyon malzemesi, cam-epoksi, grafit-epoksi ve bor-epoksi olarak seçilmiştir. Yapıştırılmış plakların burkulma yükleri sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir. Aynı zamanda, analizlerde inklüzyon yakınlarında delaminasyon olasılığı da göz önüne alınmıştır. Delaminasyon şekli ve büyüklüğünün kritik burkulma yüküne etkisi ayrıntılı olarak sunulmuştur. Bölüm 4.2'de yapıştırıcı tabakalarında ortotropik inklüzyon içeren tek bindirme bağlantıların düzgün yayılı çekme yükü altındaki gerilme davranışları da analiz edilmiştir. Yapılan çalışmada, yapışkan tabakalarında yine cam-epoksi, grafit-epoksi ve bor-epoksi olmak üzere üç farklı ortotropik inklüzyon içeren yapıştırıcı bağlantılarında, meydana gelen gerilmeler, inklüzyonun etkileri ve sebep oldukları delaminasyonlar incelenmiştir. Şeçilen inklüzyon malzemesinin gerilme ve yer değiştirmeler üzerine etkileri sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak analiz edilmiş ve analiz sonuçları literatürde ulaşılan sayısal sonuçlar ile karşılaştırılarak burada kullanılan modelin geçerliliği doğrulanmıştır. Bu çalışmada yapılan tüm incelemeler sonunda sandviç bağlantılarda, PV 60/65 grafit tozunun reçine ile daha uyumlu olduğu, en yüksek kritik burkulma yükünün tüm yükleme koşullarında PV 60/65 sandviç panellerde ve %12 hacim oranında elde edildiği görülmüştür. Benzer şekilde PV 60/65 grafit tozu ilave edilmiş tek bindirme bağlantılarında dayanımlarının PAM 96/98 grafit tozu ilave edilmiş bağlantılara göre daha fazla olduğu görülmüştür. İnklüzyon içeren bağlantılarda yapılan incelemeler sonucunda, burkulma yük değerleri inklüzyon geometrisinin şekli daireden, farklı c/a oranlarına sahip eliptik şekle dönüştüğünde değişmiştir. Ayrıca, burkulma yükünü en kötü etkileyen delaminasyon şekli de c/a'ın 1 olduğu durumda gözlemlenmiştir. Analiz sonuçları malzeme açısından incelendiğinde, burkulma yükleri en yüksek değerini bor-epoksi inklüzyon, en düşük değerini cam-epoksi inklüzyon için almıştır. Homojen izotrop yapıştırıcı tabakasına sahip plak panelin klasik burkulma yükünün, inklüzyon içeren plak panelin burkulma yükünden daima fazla olduğu gözlemlenmiştir.