bĐtĐrme projesĐ engĐn Çatak projeyi...

I

T.C. DOKUZ EYLÜL ÜNĐVERSĐTESĐ MÜHENDĐSLĐK FAKÜLTESĐ

MAKĐNA MÜHENDĐSLĐĞĐ BÖLÜMÜ

PĐM BAĞLANTILI KOMPOZĐT MALZEMELERDE GERĐLME ANALĐZĐ

BĐTĐRME PROJESĐ

ENGĐN ÇATAK

Projeyi Yöneten

Yrd. Doç. Dr. EVREN TOYGAR

Ocak, 2007

ĐZMĐR

II

TEZ SINAV SONUÇ FORMU

Bu çalışma … / … / …. günü toplanan jürimiz tarafından BĐTĐRME PROJESĐ olarak kabul edilmiştir.

Yarıyıl içi başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden ……… ( …………….…. ) dir.

Başkan Üye Üye

Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,

………………….. numaralı ………………… jürimiz tarafından … / … / …. günü saat …… da yapılan

sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden ……. almıştır.

Başkan Üye Üye

ONAY

III

TEŞEKKÜR

Hazırlamış olduğumuz projenin her aşamasında çalışmamızı yönlendiren, fikirlerini ve önerilerini

bizle paylaşan değerli hocamız Yrd. Doç. Dr. EVREN TOYGAR‘ a teşekkür ederiz.

ENGĐN ÇATAK

IV

ÖZET

Bu çalışmada kullanılan pimli bir bağlantı örneğinde, pimin bağlandığı kompozit plakada meydana

gelen gerilmelerin dağılımı incelenmiştir. Örnek modelin boyutları önceden belirlenmiş olup uygulanan çekme

kuvveti sabit tutulmuştur. Model 3 boyutlu olarak tasarlanmıştır ve sonuçlar bunun doğrultusunda oluşmuştur.

Çalışmanın ilk bölümünde pim deliği bulunmayan 0, 45, 90 derece lif açılarına sahip üç levhanın kuvvet

karşısında yüzeyinde oluşan gerilmelerin dağılımı incelenmiştir. Bunun ardından pim boşluğu olan 0, 45, 90

derece lif açılarına sahip modellerin ayrı ayrı kuvvet karşısında oluşan gerilmeler ANSYS 8.0 ile incelenmiştir

ve daha iyi sonuçların irdelenebilmesi için grafikleri çizdirilmiştir.

V

ĐÇĐNDEKĐLER

Sayfa

ĐÇĐNDEKĐLER ............................................................................................................................... V ŞEKĐL LĐSTESĐ............................................................................................................................VII

Bölüm Bir

GĐRĐŞ

1.1 Problemin tanımı........................................................................................................................ 1 1.2 Malzeme özellikleri ................................................................................................................... 1

Bölüm Đki

KOMPOZĐT MALZEMELER

2.1.KOMPOZĐT MALZEMELERĐN AVANTAJLARI ................................................................. 2 2.1.1.Yüksek Mukavemet: ...........................................................................................................2 2.1.2 Elektriksel Özellikler: .........................................................................................................2 2.1.3 Isıya ve Ateşe Dayanıklılık: ................................................................................................3 2.1.4 Kalıcı Renklendirme: ..........................................................................................................3 2.1.5 Titreşim Sönümleme: ..........................................................................................................3 2.2 KOMPOZĐT MALZEMELERĐN DEZAVANTAJLARI.......................................................... 3 2.3 KOMPOZĐT TÜRLERĐ VE SINIFLANDIRILMASI............................................................... 4 2.3.1 Yapılarını Oluşturan Malzemelere Göre: ............................................................................4 2.3.1.1 Plastik-Plastik Kompozitler: ........................................................................................4 2.3.1.2 Plastik-Metal Kopmpozitler: ........................................................................................4 2.3.1.3 Plastik-Cam Elyaflı Kompozitler: ................................................................................4 2.3.1.4 Plastik-Köpük Kompozitler: ........................................................................................5 2.3.1.5 Metal Matrisli Kompozitler:.........................................................................................5 2.3.1.6 Seramik Kompozitler: ..................................................................................................5

2.3.2 Yapı Bileşenlerinin Şekillerine Göre: .................................................................................5 2.3.2.1 Partikül Esaslı Kompozitler: ........................................................................................5 2.3.2.2 Lamel Esaslı Kompozitler:...........................................................................................6 2.3.2.3 Fiber Esaslı Kompozitler:.............................................................................................6 2.3.2.4 Dolgu Kompozitler:......................................................................................................6 2.3.2.5 Tabaka Yapılı Kopmpozitler:.......................................................................................7

2.4 KOMPOZĐT MALZEMELERĐN GÜNÜMÜZDEKĐ KULLANIM ALANLARI ................... 7 2.5 MALZEME ÖZELLĐKLERĐ..................................................................................................... 8

Bölüm Üç

VI

ANSYS 8.0’ DA ANALĐZĐN YAPILMASI

3.1. Eleman Tipi ve Malzeme Özelliklerinin Girilmesi................................................................. 11 3.2 Parçanın Modellenmesi............................................................................................................ 15 3.3 Elemanlara Ayırma ( Meshleme )............................................................................................ 16 3.4 Çözüm...................................................................................................................................... 16 3.5 Sonuçların Okunması............................................................................................................... 17

Bölüm Dört

GERĐLME DAĞILIMLARI

4.1 Aynı Ebattaki Perçin Deliksiz Plakanın ANSYS’te Đncelenmesi ............................................ 18 4.1.1 0° lif açılı levha ................................................................................................................18 4.1.2 45° lif açılı levha ...............................................................................................................19 4.1.3 90° lif açılı levha ..............................................................................................................20 4.2.1 0° lif açılı levha .................................................................................................................21 4.2.2 45° lif açılı levha ...............................................................................................................22 4.2.3 90° lif açılı levha ...............................................................................................................23

Bölüm Beş

SONUÇ

5.1 Grafiklerin Đncelenmesi ........................................................................................................... 25 5.1.1 Aynı Ebattaki Perçin Deliksiz Plakanın Grafikleri ...........................................................25 5.1.2. Pim Delikli Plakanın Grafikleri........................................................................................27

VII

ŞEKĐL LĐSTESĐ Sayfa

Şekil 1.1. Malzeme özellikleri..........................................................................................................1 Şekil 2.1 Grafikler ..........................................................................................................................10 Şekil 3.1 Preference........................................................................................................................11 Şekil 3.2 Element types .................................................................................................................12 Şekil 3.3 Library of element types .................................................................................................12 Şekil 3.4 Real Constant ..................................................................................................................13 Şekil 3.6 Define Material Model Behavior ..................................................................................14 Şekil 3.7 Malzeme Özellikleri......................................................................................................14 Şekil 3.8 Modelin oluşturulması ..................................................................................................15 Şekil 3.9 Pim Delikli Levhanın Son Hali .....................................................................................15 Şekil 3.10 Mesh edilmiş Görüntü.................................................................................................16 Şekil 3.11 Basınç Değerinin Girilmesi.........................................................................................16 Şekil 3.12 Çözümlerin Bulunması ...............................................................................................17 Şekil 3.13 Analiz sonucunda parçadaki Von Mises gerilme dağılımı ...........................................17 Şekil 4.1 0° lif açısına sahip levhanın X yönündeki normal gerilme dağılımı...............................18 Şekil 4.2 0° lif açısına sahip levhanın Von Mises gerilme dağılımı ..............................................19 Şekil 4.3 45° lif açısına sahip levhanın X yönündeki normal gerilme dağılımı.............................19 Şekil 4.4 45° lif açısına sahip levhanın Von Mises gerilme dağılımı ............................................20 Şekil 4.5 90° lif açısına sahip levhanın X yönündeki normal gerilme dağılımı.............................20 Şekil 4.6 90° lif açısına sahip levhanın Von Mises gerilme dağılımı ............................................21 Şekil 4.7 0° lif açısına sahip levhanın X yönündeki normal gerilme dağılımı...............................21 Şekil 4.8 0° lif açısına sahip levhanın Von Mises gerilme dağılımı ..............................................22 Şekil 4.9 45° lif açısına sahip levhanın X yönündeki normal gerilme dağılımı.............................22 Şekil 4.10 45° lif açısına sahip levhanın Von Mises gerilme dağılımı ..........................................23 Şekil 4.11 90° lif açısına sahip levhanın X yönündeki normal gerilme dağılımı ..........................23 Şekil 4.12 90° lif açısına sahip levhanın Von Mises gerilme dağılımı ..........................................24 Şekil 5.1 0° lif açısına sahip levhanın gerilme dağılımı.................................................................26 Şekil 5.2 45° lif açısına sahip levhanın gerilme dağılımı...............................................................26 Şekil 5.3 90° lif açısına sahip levhanın gerilme dağılımı...............................................................27 Şekil 5.4 0° lif açısına sahip levhanın gerilme dağılımı.................................................................27 Şekil 5.5 45° lif açısına sahip levhanın gerilme dağılımı...............................................................28 Şekil 5.6 90° lif açısına sahip levhanın gerilme dağılımı...............................................................28

1

BÖLÜM BĐR

GĐRĐŞ

1.1 Problemin tanımı

Bu projede eksenel yük altındaki pim bağlantılı kompozit plakada gerilme analizi yapılacak. Plakaya 1000N’luk yatay yönde sağ tarafta dışa doğru yayılı yük uygulanmaktadır. Kompozit plakada lif açıları değiştirilerek maksimum gerilmeler elde ediliyor. Bu uygulama ile lif açılarının değişimi ile levhada oluşan maksimum gerilmeler karşılaştırılıyor.

1.2 Malzeme özellikleri

Modelin malzemesi Glass-Epoksi kompozitidir. Bu malzemeyle ilgili bilgiler Şekil 1.1 de verilmiştir.

Ex Ey Ez

207 Gpa 19 Gpa 19 Gpa

Nxy Nyz Nxz

0,21 0,18 0,21

Gxy Gyz Gxz

6400 Mpa 4000 Mpa 6400 Mpa

Şekil 1.1. Malzeme özellikleri

2

Bölüm Đki

KOMPOZĐT MALZEMELER

Đstenen amaç için tek başlarına uygun olmayan, kimyasal bileşenleri farklı, birbiri içerisinde pratik

olarak çözünmeyen iki veya daha fazla malzemeyi, kullanım yerindeki aranan özellikleri verebilecek

duruma getirmek için belirli şartlar ve belirli oranlarda fiziksel olarak birleştirerek oluşturulan

malzemelere kompozit malzemeler denir.

Kompozit malzemelerde çekirdek olarak fiber kullanılmaktadır. Bu malzemenin çevresinde

hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan matris kullanılmaktadır.Bu iki malzeme grubundan fiber malzeme,

kompozit malzemenin mukavemet ve yük taşıma özelliğini sağlamaktadır.Matris malzeme’nin ise iki ana

rolü vardır.Plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici rol oynamakta ve

kompozit malzemelerin kopmasını geciktirmektedir. Diğer kullanım amacıda, fiber malzemeleri yük

altında bir arada tutabilmek ve kompozit malzemeye gelen yükün liflere homojen olarak dağılmasına

olanak verir.

2.1.KOMPOZĐT MALZEMELERĐN AVANTAJLARI

Kompozit malzemelerin önem kazanmaları bunların diğer malzemelere göre değişik özelliklere

sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Bunlar;çekme, basma, akma, sertlik,tokluk,yorulma gibi mekanik

özellikler, elektrik iletkenliği , magnetik özellikler v.b fiziksel özelliklerdir. Kısaca Bu özellikleri şu

şekilde açıklayabiliriz.

2.1.1.Yüksek Mukavemet:

Kompozitlerin çekme, basma ve eğilme mukavemetleri birçok metalik malzemeye göre oldukça

yüksektir.ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı, kompozitlere istenen yönde ve istenen bölgede gerekli

dayanım verilebilir.

2.1.2 Elektriksel Özellikler:

Uygun malzemelerin seçilmesiyle çok üstün elektriksel özelliklere sahip kompozit

ürünler elde edilir.

3

2.1.3 Isıya ve Ateşe Dayanıklılık:

Isı iletim katsayıları düşük malzemelerden oluşabilen kompozitlerin ısıya dayanıklılık özellikleri,

yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak tanımaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile ısıya dayanımları

arttırılabilir.

2.1.4 Kalıcı Renklendirme:

Kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk

verilebilir.bu işlem ek bir masraf ve işçilik gerektirmez.

2.1.5 Titreşim Sönümleme:

Kompozit malzemelerde, süneklik nedeniyle doğal bir titreşim sönümleme ve şok

yutabilme özellikleri metallere göre oldukça fazladır. Çatlak ilerleme olayı da böylece azaltılmış

olmaktadır.

2.2 KOMPOZĐT MALZEMELERĐN DEZAVANTAJLARI

Oluştuğu bir malzemenin kötü bir özelliği direk olarak kompozit malzemeyi de

olumsuz etkilemektedir.Örneğin matris yüksek sıcaklıklarda çalışamıyorsa dolayısı ile onun oluşturduğu

kompozite de bu olumsuzluktan etkilenir ve yüksek sıcaklıklarda çalışamaz. Kompozit malzemelerde şu

tür dezavantajlar görülmektedir.

• Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri, malzemenin yorulma özelliklerini

olumsuz yönde etkiler.

• Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik özellik gösterirler.

• Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme türü operasyonları liflerde

açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez.

• Đyi tanımlanmamış parametreler varsa, bundan dolayı ham malzeme açısından en

yüksek imalat verimliliğine ulaşılamaz

4

2.3 KOMPOZĐT TÜRLERĐ VE SINIFLANDIRILMASI

Kompozit malzemeleri, yapılarını oluşturan malzemeler ve yapı bileşenlerinin şekillerine göre iki

şekilde sınıflandırılmak mümkündür. Matris malzemesinin türüne göre plastik kompozitler, metalik

kompozitler, seramik kompozitler, v.b bir gruplandırma yapılabildiği gibi yapı bileşenlerinin şekillerine

göre de partikül esaslı kompozitler,lamel esaslı, fiber esaslı kompozitler, dolgulu (kafes)

kompozitler,tabaka yapılı kompozitler şeklinde sınıflandırılır.

2.3.1 Yapılarını Oluşturan Malzemelere Göre:

2.3.1.1 Plastik-Plastik Kompozitler:

Fiber olarak kullanılan plastik, yük taşıyıcı bir özelliğe sahip iken, matris olarak kullanılan plastik,

esneklik verici, darbe emici yada istenen amaca göre kullanılan plastiğin özelliğine sahip

olmaktadır.Kullanılabilecek plastik türleri de iki sınıfta incelenebilir:

A) Termoplastikler: Bu tür plastikler, ısıtıldıklarında yumuşar ve şekillendirildikten sonra

soğutulduğunda sertleşir. Bu işlem sırasında plastiğin mikro yapısında herhangi bir değişiklik söz konusu

değildir.Genellikle 5-50°C arasındaki sıcaklıklarda kullanılabilirler.Bu gruba giren plastik olarak; naylon,

polietilen, karbon flüorür , akrilikler, selülozikler, viniller sayılabilir.

B) Termoset Plastikler: Bu tip plastiklerde ise ısıtılıp şekillendirildikten sonra soğutulduklarında artık

mikro yapıda oluşan değişim nedeniyle eski yapıya dönüşüm mümkün olmamaktadır. Bu gruba giren belli

başlı plastikler ise; polyesterler, epoksiler , alkitler , aminler olarak verilebilir.

2.3.1.2 Plastik-Metal Kopmpozitler:

Endüstride en çok kullanılan bir tür metal olan metal fiber takviyeli plastikten oluşan kompozitler

oldukça mukavemetli ve hafif bir ürün olarak karşımıza çıkmaktadır.bu kompozitler, metal fiberlerin (

bakır, bronz, alüminyum ,çelik) polietilen ve polipropilen plastiklerini takviyelendirilmesi amacıyla elde

edilmekte kullanılmaktadır.Özellikle deformasyon yönünden takviyelendirilme yaygın olarak

kullanılmakta ve iyi bir verim alınmaktadır.

2.3.1.3 Plastik-Cam Elyaflı Kompozitler:

Đsteğe göre termoplastikler veya termoset plastikten oluşan matris ve cam liflerinin uygun

kompozisyonlarında üretilmektedir.Mekanik ve fiziksel özellikleri nedeniyle cam lifler birçok durumda

5

metal, asbest, sentetik elyaf ve pamuk ipliği gibi liflere tercih edilebilirler. Ancak cam elyaflı kompozitler,

büyük kuvvetleri iletmelerine rağmen camın kırılgan olmasından dolayı çok küçük dirençlidirler. Bu tür

malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, kullanılan plastik reçineler uygun seçilerek, arzu edilen

şekle sokulabilir. Plastik reçineler de daha önce belirtildiği gibi termoplastik ve termoset türünde

olmaktadır. Termoset plastikler, fiberlerin de düzgün oryantasyonu ile yüksek mukavemete ulaşabilirler.

Cam elyaf takviyeleri ile en çok kullanılan plastik reçineler, polyesterlerdir.

2.3.1.4 Plastik-Köpük Kompozitler:

Bu tür kompozitlerde plastik, fiber olarak görev yapmakta, köpük ise matris konumunda

olmaktadır. Köpükler, hücreli yapıya sahip, düşük yoğunlukta, gözenekli ve doğal halde bulunduğu gibi,

büyük bir kısmı sentetik olarak imal edilmiş hafif maddelerdir. Köpük hücre yapısına göre sert, kırılgan,

yumuşak yada elastik olabilmektedir.

2.3.1.5 Metal Matrisli Kompozitler:

Metallerin ve metal alaşımlarının birçoğu, yüksek sıcaklıkta bazı özellikleri

sağlamalarına rağmen kırılgan olmaktadırlar. Fakat metalik fiberler ile takviye edilmiş metal matrisli

kompozitler, her iki fazın uyumlu çalışması ile yüksek sıcaklıkta da yüksek mukavemet özelliklerini

vermektedirler. Bakır ve Alüminyum matrisli Wolfram veya Molibden fiberli kompozitler ve Al-Cu

kompoziti, bize bu kompozisyonu veren en iyi örneklerdir. Bu tip kompozitler, matrisin özelliklerini

iyileştirdiği gibi bu özelliklere daha ekonomik olarak ulaşmasını sağlamaktadır.

Bu metallerde metal matris içine gömülen ikinci faz, sürekli lifler şeklinde olabildiği gibi, gelişigüzel

olarak dağıtılmış küçük parçalar halinde de olabilmektedirler.

2.3.1.6 Seramik Kompozitler:

Metal veya metal olmayan malzemelerin birleşimlerinden oluşan seramik kompozitler, yüksek

sıcaklıklara karşı çok iyi dayanım göstermekle birlikte, rijit ve gevrek bir yapıya sahiptirler. Ayrıca

elektriksel olarak çok iyi bir yalıtkanlık özelliği de gösterirler.

2.3.2 Yapı Bileşenlerinin Şekillerine Göre:

2.3.2.1 Partikül Esaslı Kompozitler:

Rijitlik ve mukavemette artış sağlayan küçük granül dolgu maddesi ilavesi ile şekillendirilirler.

Partikül kompozitler, bir veya iki boyutlu makroskobik partiküllerin veya sıfır boyutlu olarak kabul edilen

çok küçük mikroskobik partiküllerin matris fazı ile oluşturdukları malzemelerdir. Makroskobik veya

mikroskobik boyutlu partiküller kompozit malzeme özelliklerini farklı şekilde etkilerler. Partikül takviyeli

6

kompozitleri fiber ve pul kompozitlerden ayırt eden karakteristik özellikleri, partiküllerin matris içinde

tamamen rasgele dağılması ve bu nedenle malzemenin izotropik özellik göstermemesidir. Partikül esaslı

kompozitlerin maliyeti düşük ve rijitliği de oldukça iyidir.

2.3.2.2 Lamel Esaslı Kompozitler:

Yüksek yük taşıma kabiliyeti olan büyük uzunluk /çap oranında dolgu maddesi ilave edilerek

üretilir. Matris içinde yer alan pulların konsantrasyonu düşük olabileceği gibi birbiri ile temas etmelerini

sağlayacak derecede yüksek değerlerde olabilir. Pul asalsı sistemin maliyeti biraz daha fazla, ancak

mukavemet özellikleri iyidir.

2.3.2.3 Fiber Esaslı Kompozitler:

Birçok özelliklerde artış sağlayan, yüksek etkinliği olan liflerin ilavesiyle elde edilir.

Mühendislikte kullanılan malzemelerin pek çoğu fiber şeklinde üretildiklerinde mukavemet ve rijitlikleri

kütle hallerindeki değerlerinden çok üstünde olabilmektedirler. Örneğin karbon fiberlerin çekme

mukavemeti kütle halindeki grafitten elli kat rijitliği 3 kat daha yüksektir. Fiberlerin bu özelliğinin fark

edilmesi ile fiber kompozitlerin üretilmesi süreci başlamıştır. Günümüzdeki düşük performanslı ev

eşyalarından roket motorlarına değin kullanım alanı bulan malzemeler olmuşlardır. Fiberler, yapı

içerisinde kesintisiz uzayan sürekli fiberler veya uzun fiberlerin kesilmesiyle elde edilen süreksiz fiberler

veya elyaflar şeklinde olabilirler. Fiber matris kompozitlerinin mühendislik performansını etkileyen en

önemli faktörler; fiberlerin şekli, uzunluğu, yönlenmesi, matrisin mekanik özellikleri ve fiber-matris ara

yüzey özellikleridir. Fiberler dairesel olduğu gibi nadiren dikdörtgen, hekzagonal, poligonal ve içi boş

dairsel kesitli olabilir.Bu kesitlerin bazı artı özellikleri olmakla birlikte (paketleme, yüksek mukavemet

v.s) dairesel kesitler maliyeti ve kullanım kolaylığı ile üstünlük sağlar.Sürekli fiberlerle çalışmak genelde

daha kolay olmakla beraber tasarım serbestliği süreksizlere göre çok daha sınırlıdır.Sürekli fiberler

süreksizlerden daha iyi yönlenme göstermelerine karşılık,süreksiz fiberlerin kullanılması daha pratik

sonuçlar vermektedir.

2.3.2.4 Dolgu Kompozitler:

Üç boyutlu sürekli bir matris malzemesinin yine üç boyutlu dolgu maddesi ile doldurulması ile

oluşan malzemelerdir. Matris çeşitli geometrik şekillere sahip bir iskelet veya şebeke yapısındadır.Düzgün

petekler,hücreler veya süngere benzeyen gözenekli yapılar arasında metalik, organik veya seramik esaslı

dolgu maddeleri yer alabilir.Optimum özelliklere sahip kompozitlerin üretimi için birbiri içinde

çözünmeyen, kimyasal reaksiyon vermeyen bileşenlerin seçilmesi gerekir.

7

2.3.2.5 Tabaka Yapılı Kopmpozitler:

Farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur.Çok değişik

kombinasyonlarla tabakalanmış kompozitlerin üretimi mümkündür. Korozyon direnci zayıf metaller

üzerine, daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla korozyon özelliğinin, yumuşak

malzemelerin sert malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma direncinin, farklı fiber yönlenmesine

sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle çok yönlü yük taşıma özelliğinin geliştirilmesi mümkün olmuştur.

2.4 KOMPOZĐT MALZEMELERĐN GÜNÜMÜZDEKĐ KULLANIM ALANLARI

Genellikle fazla ağırlık istenmeyen fakat fazla mukavim olması gereken yerlerde metallerin yerine

kullanılmaktadırlar.

Ev Aletleri: Masa, sandalye, televizyon kabinleri, dikiş makinesi parçaları,saç kurutma makinesi gibi çok

kullanılan ev aletlerinde kullanılmaktadır. Bu şekilde, komple ve karmaşık parça üretimi, montaj

kolaylığı, elektriksel etkilerden korunum ve hafiflik gibi avantajlar sağlamaktadır.

Elektrik ve Elektronik Sanayi: Kompozitler, elektronik, elektroteknik ve elektrik sanayinde amaca

uygun özellikleri ve taşıdığı üstün nitelikler nedeniyle (izolasyon gibi) her türlü malzemelerin yapımında,

üretim malzemesi olarak kullanılmaktadır.

Havacılık Sanayi: Bu alanda kompozitler gün geçtikçe daha geniş bir uygulama alanına sahip olmaktadır.

Planör gövdesi, uçak modelleri, uçak gövde ve iç dekorasyonu, helikopter parçaları ve uzay araçlarında

başarıyla kullanılmaktadır. Bu kompozit malzemelerde, yüksek özgül mukavemete sahip malzeme üretimi

sayesinde olmaktadır. Havacılıkta da böyle malzemelere büyük ihtiyaç duyulmaktadır. Daha hafif

malzemeyle atmosfer şartlarına dayanım ve yüksek mukavemet sağlanmaktadır.

Otomotiv Sanayi: Bu alanda kullanılan başlıca ürünler, otomobil kaportası parçaları, iç donanımı, bazı

motor parçaları, tamponlar ve lastiklerdir.

Đş Makineleri: Đş makinelerinin koruma kapakları ve çalışma kabinlerinde kullanılmaktadır. Bu şekilde

üretimde kullanılan parça sayısı malzemelerinden de tasarruf sağlanmaktadır.

Đnşaat Sektörü: Burada da kompozitler önemli kullanım alanına sahiptirler. Cephe korumaları, soğuk

hava depoları, inşaat kalıpları birer kompozit malzeme uygulamalarıdır. Đzolasyon problemleri çözülmekte

ve bakım giderleri azalmaktadır.

8

2.5 MALZEME ÖZELLĐKLERĐ

Kompozit malzemelerin özelliklerini belirleyen dört temel faktör vardır. Bunlar; fiber özellikleri, matris

özellikleri, ara yüzey ve mikro yapı özellikleri olarak sayılabilir. Kompozit malzeme en basit şekliyle

sürekli doğrusal bir fiber ve fiberle yapışık olarak katılaşmış bir matris malzemeden meydana gelmektedir.

Kompozit malzemeler matris ve fiber malzemelerin gerekli şartları sağlayan çeşitli kombinasyonları ile

oluşturulur. Kompozit malzemede fiberlerin takviye açısına göre malzeme mukavemeti değişmektedir.

a) Fiberler

Takviye malzemesi olarak kullanılan fiberler, takviye doğrultusunda mukavemet, rijitlik,sürünme ve

yorulma gibi mekanik özellikleri ve iletkenlik, genleşme gibi ısıl özellikleri ile elektriksel özellikleri

belirler. Isı ve elektrik akımı direncin düşük olduğu yerlerden geçme eğiliminde olduğundan ısıl ve

elektriksel iletim özellikleri cam, aramid, seramik, fiber kullanılması durumunda matris malzemelerinkine

yakındır. Karbon fiberler gibi iletim özelliği iyi olan fiberlerin kullanıldığı kompozitlerde ise fiber

malzemesinin özelliklerine yakınlık gösterir.

b) Matrisler

Matris malzeme fiziki olarak fiberlere göre daha zayıf ve ekonomik olarak da daha ucuzdur. Bununla

beraber kompozit malzeme açısından çok önemlidirler. Matris malzeme fiberlerin yüzeylerini korur ve bir

arada durmalarını sağlar. Gerilmeler matris malzeme vasıtasıyla diğer makine elemanlarından fiberlere

veya fiberlerden diğer makine elamanlarına aktarılır. Matris malzeme aynı zamanda fiberlerde oluşan

çatlakların büyümesine engel olarak kompozitlerin gerilme altında uzayabilmelerini belirleyen kısım

olmaktadır. Takviye yönüne dik doğrultuda kompozitin özellikleri matris malzeme tarafından belirlenir.

Ayrıca kayma davranışı, basınç dayanımı, çarpma ve tokluk özelliklerinde de belirleyici unsur matris

malzemesidir. Matris malzemesi kompozitin nem, ısı ve kimyevi maddeler gibi çevre etkilerine ilk maruz

kalan kısmı olduğundan korozyon dayanımı, absorbsiyon gibi çevre etkilerine karşı özellikleri de

belirlemektedir. Örneğin, 200°C üzerinde özellikleri kararlı olmayan bir fiber, çok daha yüksek

sıcaklıklara dayanabilen ve ısıl iletkenlik özellikleri iyi olmayan bir matris içinde yüksek sıcaklıkta

kullanılabilen, mukavemeti yüksek bir kompozit oluşturabilmektedir. Matris malzemelerde oluşan

Sürünme ve Relaxation (yüksek sıcaklıklarda) aşağıdaki şekilde gösterilmiştir…

10

Şekil 2.1 Grafikler

c) Ara yüzey: Kompozit malzemenin üçüncü bir elemanı fiber-matris ara yüzeyidir. Ara yüzey, kalınlığı

0.1 µ dan daha az olabilen tabakadır. Fiber ve matris malzeme özelliklerine bağlı olarak ara yüzey bağ

gerilmesi birkaç MPA ile 100 MPA arasında değişmektedir. Bağ gerilmesi kompozitin takviye

doğrultusunda dik yönde kayma özelliğini ve burkulma özelliğini belirleyen faktörlerden biridir.

d) Mikro yapı: Kompoziti oluşturan fiber ve matris mikro yapıları kendilerinden beklenen özellikler

doğrultusunda ayrı ayrı ele alınmalıdır. Bir fiberden beklenen özellikler mukavemet, rijitlik ve düşük

özgül ağırlık yanında uygulama yerine göre ısıl, elektriksel ve korozif özelliklerinin iyi olmasıdır. Ayrıca

ara yüzey teşkili özelliği de kontrol edilebilmelidir.

11

Bölüm Üç

ANSYS 8.0’ DA ANALĐZĐN YAPILMASI

3.1. Eleman Tipi ve Malzeme Özelliklerinin Girilmesi

“ Preference “ tıklanır. Çıkan ekranda “ Structural “ seçilir ve “ OK ” tıklanır.

Şekil 3.1 Preference

Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete tıklanır. Çıkan ekranda “ Add “ tuşuna basılır.

12

Şekil 3.2 Element types

Bundan sonra çıkan ekranda “ Solid “ – “ Layered 46“ seçilir ve “ OK “ tuşuna basılır.

Şekil 3.3 Library of element types

Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete tıklanır. Çıkan ekranda “ Add “ tuşuna basılır.

13

Şekil 3.4 Real Constant

“ Layered 46“ seçilir ve “ OK “ tuşuna basılır. Gelen diğer iki menüde hiçbir değişiklik yapılmadan

“OK “ tuşuna basılır. Üçüncü menüde lif açısı ve tabaka kalınlığı girilerek “ OK “ tuşuna basılır. Bu

ekran “ Close “ tıklanarak kapatılır.

Şekil 3.5 Lif Açısının belirlenmesi

14

Preprocessor > Material Props > Material Models tıklanır. Çıkan ekranda

“ Structural, Linear, Elastic, Orthotropic“ çift tıklanarak malzeme özelliklerinin girileceği pencere

açılır.

Şekil 3.6 Define Material Model Behavior

Çıkan pencereye malzemenin EX = 207000, EY =19000, EZ =19000, PRXY = 0.21, PRYZ = 0.18

PRXZ = 0.21, GXY =6400, GYZ = 4000 ve GXZ = 6400 değerleri girilir ve “ OK “ tuşlanır.

Şekil 3.7 Malzeme Özellikleri

15

3.2 Parçanın Modellenmesi

Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > Block > By 2 Corners & Z tıklanır.Çıkan ekranda

Şekil 3.8 Modelin oluşturulması

“WP X =0, WP Y = 0, Width = 250, Height = 60, Depth = 2 “ değerleri girilir.

Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > Cylinder > Solid Cylinder tıklanır.

Çıkan ekranda WPX = 125, WPY = 30, Radius = 15 Depth = 2 girilir. Böylelikle pim deliği oluşturulur.

Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Substract > Volumes tıklanır. Đlk önce plaka seçilir,

“ OK “ tuşlanır. Daha sonra silindir seçilir “ OK “ tuşlanır. Böylelikle pim deliği plakaya açılmış olur.

Şekil 3.9 Pim Delikli Levhanın Son Hali

16

3.3 Elemanlara Ayırma ( Meshleme )

Preprocessor > Meshing > Mesh tool tıklanır ve Global Attributes da global seçilip set’e basılır.(Tüm

malzeme aynı özellikte olduğu için globali seçtik). Çıkan menüde Ok’e basılır. Mesh tool menüsünde

mesh’e bastıktan sonra çıkan pencerede pick all tıklanarak modelimiz meshlenir.

Şekil 3.10 Mesh edilmiş Görüntü

3.4 Çözüm

Bu aşamada problemin sınır şartları girilir.

Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Areas tıklanır. Plakanın sol yan

alanı seçilir. “ Apply “ tuşuna basılır. Çıkan ekranda “ All DOF “ seçilir ve “ OK “ tuşlanır. Bu işlemle

parça sol taraftan mesnetlemiş olur.

Solution > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > On Areas tıklanır. Plağın sağ tarafındaki

yanal alanı seçilir, “ Apply “ tuşlanır ve “ -8.4 “ değeri girilir. “ OK “ tuşlanır. Böylelikle bu alana

uygulanan -8.4 Mpa’lık bir değerle, plağa 1000 N’luk bir çeki kuvveti uygulanmış olur.

Şekil 3.11 Basınç Değerinin Girilmesi

17

Solution > Solve > Current LS tıklanır çıkan ekrana “ OK “ tuşlanarak çözüme başlanılır.

3.5 Sonuçların Okunması

Yapılan çözüm sonucunda plaka üzerinde gerilme dağılımlarını görmek için ;

General Postproc > Plot > Results > Contour Plot > Nodal Solution tıklanır. Açılan pencerede X, Y, Z

yönlerindeki gerilmelerle Von Mises gerilme dağılımını seçerek görebiliriz.

Şekil 3.12 Çözümlerin Bulunması

Şekil 3.13 Analiz sonucunda parçadaki Von Mises gerilme dağılımı

18

Bölüm Dört

GERĐLME DAĞILIMLARI

4.1 Aynı Ebattaki Perçin Deliksiz Plakanın ANSYS’te Đncelenmesi

4.1.1 0° lif açılı levha

Şekil 4.1 0° lif açısına sahip levhanın X yönündeki normal gerilme dağılımı

19

Şekil 4.2 0° lif açısına sahip levhanın Von Mises gerilme dağılımı



20




21


4.2 Pim Delikli Plakanın ANSYS’te Đncelenmesi



22




23




24


25

Bölüm Beş

SONUÇ

Gerilme dağılımlarından görüldüğü üzere maksimum gerilmeler pim deliği etrafında

toplanmaktadır. Teoride de böyledir. Gerilmeler kesitin zayıf olduğu yerlerde daha fazladır. Tek taraftan

uygulanan kuvvet etkisi altındaki plakadaki büyük gerilme dağılımının kuvvetin uygulandığı nokta

çevresinde toparlanması bize doğru sonuç vermez. Homojen gerilme dağılımını sağlamak için yayılı

kuvvet uyguladığımızda, bütün modellerde maksimum gerilmenin delik çevresinde oluştuğu gözlenmiştir.

Analizde elde ettiğimiz sonuçlarda, pim-plak bağlantılarında nerelerde ve ne şekilde gerilmeler

meydana geldiğine ve lif açılarına göre oluşan yer değiştirmelere bakarak düşük gerilmelerin oluştuğu

plakalar imal edilebilir.

5.1 Grafiklerin Đncelenmesi

5.1.1 Aynı Ebattaki Perçin Deliksiz Plakanın Grafikleri

26

Şekil 5.1 0° lif açısına sahip levhanın gerilme dağılımı


27


5.1.2. Pim Delikli Plakanın Grafikleri


28



Elde edilen analiz sonuçlarından gerilme yığılmalarının pim delikli ve deliksiz yapılardaki

dağılımını yorumlarsak;

Modeller incelendiğinde gerilim grafiklerini çizdirdiğimizde üzerinde hiç pim deliği olmayan

plakalardaki σmax’lar mesnet noktasında ve kuvvetin uygulandığı uçta oluşurken, pim boşluğuna sahip

levhalarda gerilmeler delikler çevresinde yaklaşık aynı olarak artıyor. Pim delikleri levhada gerilim

arttırıcı görevi yaptıklarından buradaki gerilmeler σmax ‘ a ulaşmıştır. Buda σmax ‘ın her zaman delik

çevresinde oluştuğunu göstermektedir. Aynı zamanda lif açılarına göre malzemenin X, Y ve Z yönündeki

yer değiştirmeler değişmektedir.

29

Kaynakça • Prof. Dr. Onur SAYMAN, Prof. Dr. Sami AKSOY ‘Kompozit Malzemeler’ D.E.Ü.

Makine Mühendisliği Bölümü • Prof. Dr Onur Sayman Kompozit Malzemeler Ders Notları • www.sciencedirect.com • www.ansysbilgihavuzu.com

bĐtĐrme projesĐ engĐn Çatak projeyi...

Documents