Dairesel kesitli kompozit tüp kirişlerin eğme ve burkulma davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Bu tez kapsamında içten ve dıştan takviyenin dairesel kesitli alüminyum alaşımı (6063-T5) tüp kirişin eğme davranışına olan etkisi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Dıştan takviye elemanı olarak cam, aramid ve karbon elyaf takviyeli epoksi, içten takviye elemanı olarak ise polyamit, kestamit ve polipropilen kullanılmıştır. Tasarlanan kompozit kirişlerin eğme performansını belirlemede üç nokta eğme deneylerinden yararlanılmıştır. Hasar mekanizmasının incelenmesi için sonlu eleman analizleri planlanmış ve bu analizlerde ANSYS programı kullanılmıştır. Yapılan çalışmalardan, takviyesiz tüp yapının yük taşıma kapasitesinin tüpün çapına, cidar kalınlığı gibi geometrik faktörlerin yanında, tüp malzemesinin mekanik özelliklerine bağlı olduğu anlaşılmıştır. Analizlerden, kiriş görevi gören tüpün eğme zorlanması altında üst cidardaki lokal burkulma ile alt cidardaki akmanın yapının yük taşıma kapasitesini belirlediği görülmüştür. Tüp yapıya elyaf ve epoksi kullanılarak dıştan yapılacak bir takviyede en iyi performansı, 4.5 kat artış ile [02903] yönlenmesine sahip numunelerin gösterdiği tespit edilmiştir. Lokal burkulmanın kısıtlandığı içten polimerik malzemeler kullanılarak yapılan takviye ile yük taşıma kabiliyetinde (YTK), takviye duruma göre 5.3 kat artış sağlanmıştır. Takviyenin hem içten, hem dıştan uygulanması durumunda YTK'deki artışı oranı 14 kata ulaşmıştır. Takviye seçeneklerinin değerlendirilmesinde, özgül yük taşıma ve özgül enerji absorbe etme kabiliyeti büyüklükleri de göz önüne alınmıştır. Uygulanan takviye yönteminin narinlik derecesi yüksek (burkulma riski taşıyan, uzun ve ince) kirişlerin YTK'ne olan katkısının incelendiği burkulma deneyleri ile, dıştan takviyede karbon elyaf, içten takviyede kestamitin kullanıldığı numunenin burkulma yükünün, takviyesiz duruma göre 3.2 kat arttığı belirlenmiştir. Takviyesiz ve içten takviyeli kompozit kirişlere ait sonlu eleman analiz sonuçlarının, deneysel verilerle büyük ölçüde uyum gösterdiği, dıştan elyaf takviyeli kirişlerde ise elyaf tabakasındaki hasarın tahmin edilmesinde Tsai-Wu hasar kriterinden belirli ölçüde yararlanılabileceği anlaşılmıştır.

In this study, the influence of inner and outer reinforcements by fiber and polymer material on bending performance of a cylindrical aluminum tube (6063-T5) was investigated experimentally and numerically. Polymeric materials (PA6, PP) and glass/carbon fiber were considered to form the composite beam for inner and outer reinforcement, respectively. Three-point bending test was used to characterize bending performance of the composite beams. In order to investigate failure mechanism of the composite tube, finite element analyses (FEA) were conducted. ANSYS software was utilized in all simulation studies. It was understood from the studies that, tube diameter and wall thickness as a geometric factors are effective on load carrying capacity of unreinforced tube besides the mechanical properties of tube materials. From the finite element analyses, load carrying capacity of tube is also associated with local buckling of the upper region of the tubular beam and yielding in section of bottom portion of tube. In outer reinforced composite beam, load carrying capacity (LCC) increased maximum 4.5 times. Inner reinforcement with polymeric material plays an important role for hindering of local buckling. In inner reinforced composite beam, load carrying capability (LCC) increased maximum 5.3 times. In outer and inner reinforced composite beam, LCC increased maximum 14 times. Specific load carrying capacity and specific energy absorbing capacity have taken into account to evaluate and compare the combinations. From the buckling experiments in which contributions of reinforcements on LCC of slender tube suffered from buckling risk were examined, inner and outer reinforcements with PA6 and carbon fiber respectively, increased LCC by a factor of 3.2. It was found from the results of FEA that analyses showed good agreement with experimental data for the unreinforced and inner reinforced specimens and Tsai-Wu failure criteria can be used to predict failure of fiber-epoxy layer at a certain level for the outer reinforced composite beams.