Metalik tüp kesitli yüksek mukavemetli hafif kompozit kiriş tasarımı, analizi ve üretimi

Abstract

ÖZET METALİK TÜP KESİTLİ YÜKSEK MUKAVEMETLİ HAFİF KOMPOZİT KİRİŞ TASARIMI, ANALİZİ VE ÜRETİMİ Araç ağırlıklarının azalması hem çevre kirliliği ve hem de otomobillerin performansı açısından önemli bir konudur. Ağırlıkta azalma sağlamak için yüksek dayanıma sahip çelikler kullanılarak boyutların küçültülmesi yoluna gidilmiş, alüminyum ve magnezyum alaşımları gibi hafif malzemelerin kullanımı ise sınırlı düzeyde kalmıştır. Örneğin, otomobillerdeki yan koruma çubukları, tamponlar, traktörlerdeki emniyet çemberleri gibi yüksek mukavemet ve tokluğu gerekli kılan uygulamalarda ince taneli ve yüksek akma sınırına sahip çelikler kullanılmaktadır. Çelik taşıyıcılar yerine uygun şekilde üretilmiş kompozit kirişlerin kullanılması hafiflik ve emniyet açısından önemli avantajlar sağlama potansiyeli taşımaktadır. Bu projede, ince cidarlı alüminyum tüpün ilave takviye malzemeleriyle içeriden ve dışarıdan desteklenmesi, tüpün atalet momentinin artırılması, ön gerilme vererek hasara neden olan çekme gerilmesinin büyüklüğünün azaltılması, hasar başlangıç mekanizmasının geciktirilmesi, ve bu çalışmaların sonucunda, yük taşıma ve enerji absorbe etme kabiliyeti iyileştirilmiş yeni taşıyıcı kompozit kiriş tasarımları geliştirilmesi amaçlanmıştır. Proje çalışmalarında mümkün olduğunca yurt içinden temin edilebilen malzemeler kullanılarak, ülkemizin kendi öz kaynaklarıyla üretilebilecek, beklentilere cevap verebilecek, her sektör tarafından rahatlıkla kullanılabilecek, yüksek dayanıma sahip, hafif ve ucuz bir kompozit kiriş geliştirilmesine çalışılmıştır. Kompozit kirişi oluşturmak için kullanılan bileşenler, ince cidarlı alüminyum tüp, kestamit, polyamit, polipropilen, pvc köpük, çelik tel, cam elyaf, karbon elyaf ve polyester reçine olmuştur. Çok katmanlı yapıdaki bir tüp kiriş için, elastiklik modülü, özgül ağırlığı, boyutları ve sıralaması optimize edilmiş, en az sayı ve miktarda ilave malzeme kullanılarak, yukarıda belirtilen hususları sağlayacak, özgül mukavemet değeri yüksek bir kiriş elde edilmesine çalışılmıştır. Pek çok farklı kombinasyondaki numuneler için sonlu elemanlar analizi çalışmaları yapılmış, doğal frekans değerleri belirlenmiş, üretilen numunelerin çekme, üç nokta eğme, burkulma ve darbe deneyleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda, takviyesiz duruma göre yük taşıma kabiliyetinde 17,5 kat ve enerji absorbe etme kabiliyetinde 11 kata varan artışlar sağlayan kompozit kirişler elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Kompozit tüp kiriş; eğme dayanımı; darbe dayanımı; enerji absorbe etme kabiliyeti, elyaf takviye.

ABSTRACT THE ANALYSES, DESIGN AND PRODUCTION OF LIGHT-WEIGHT HIGH-STRENGTH METALLIC TUBULAR COMPOSITE BEAM The reduction in weight of the vehicles is a significant objective in automotive industry for both environmental and performance considerations. The short-term reduction in weight could be achieved by shortening in part dimensions simply using higher strength steels, while the usage of light materials such as aluminum and magnesium alloys is limited. Some applications require high strength with toughness, such as lateral bars and bumpers in vehicles and safety hoop in tractors. These kinds of components are generally being manufactured using materials such as fine grain steel alloys, which typically have high yield strength. Instead of a beam made of steel, the usage of composite beams designed and produced properly have potential of providing important advantages with respect to the lightness and safety of the structure. In this project, it is aimed that to reinforce the thin section aluminum tubular beam by additional reinforcing materials used internally and externally, to increase the moment of inertia of the beam, to decrease the magnitude of the bending stress causing the failure, to delay failure mechanism by loading the pre-stressing, and to achieve a new composite beam having the increased load carrying and energy absorption capacity. The materials obtained from within the country were used as much as possible, in order to develop the cheap, light weight, high-strength composite beam which can be used by different sectors in the country. The constituents of the beam are thin section aluminum tube, polyamide, polipropilen, pvc foam, high-strength steel wire, glass fiber, carbon fiber and polyester. Project studies were performed to generate a high specific-strength beam having multilayer cross-section with the usage of minimum additional reinforcing materials having the optimized properties of the elastic modulus, specific weight, dimensions and the use order in the tube. For the various specimen combinations, the finite element analyses were performed, the natural frequencies were determined, and the tensile, bending, buckling and impact experiments of produced specimens were realized. At the end of the project studies, compared with the unreinforced structure, the new composite beams which provide improvements 17,5 times in load carrying capacity, and 11 times in energy absorbing capacity, were generated. Keywords: Composite tubular beam; bending strength; impact strength; energy absorption capacity; fiber reinforcement.