Petek Yapılı Kompozit Levhaların Eğilme

Fırat Üniv. Mühendislik Bilimleri Dergisi
22 (1), 1-11, 2010
Fırat Univ. Journal of Enginering
22(1), 1-11, 2010
Petek Yapılı Kompozit Levhaların Eğilme Davranışlarının
İncelenmesi
M. Yavuz SOLMAZ, Mete Onur KAMAN, Kadir TURAN, Aydın TURGUT
Fırat Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 23119, Elazığ
mysolmaz@firat.edu.tr
(Geliş/Received:05.03.2009; Kabul/Accepted:24.09.2009)
Özet
Bu çalışmada, altıgen petek (balpeteği) yapılı kompozit levhaların eğilme davranışları incelenmiştir. Kompozit
levhaların yüzey örtüsü, polyester/cam fiberden üretilmiş olup petek hücre malzemesi olarak polyester
emdirilmiş kâğıt ve alüminyum kullanılmıştır. Farklı hücre boyutlarında aynı hacme sahip petek yapılı levhalar
üç nokta eğilme deneyine maruz bırakılarak hücre yoğunluğu ve petek malzemesinin eğilme dayanımına etkisi
araştırılmıştır. Sonuçta levhaların eğilme dayanımı, petek hücrelerin kayma rijitlikleri ve modülü tespit
edilmiştir. Kâğıt hücreli levhaların eğilme dayanımlarının alüminyum hücrelilere göre daha yüksek olduğu
bulunmuştur. Alüminyum hücreli levhalarda yük uygulanan bölge civarında bölgesel hücre ezilmesi ve kayma
hasarları, kâğıt hücreli levhalarda ise bu hasarlara ek olarak bölgesel çatlaklar ve kısmen yüzey örtüsü/hücre
ayrılması gözlemlenmiştir. Petek yapı hücre yoğunluğunun artmasıyla levhaların eğilme dayanımları ve
hücrelerin kayma rijitlikleri artmıştır.
Anahtar kelimeler: Balpeteği kompozit levhalar, Üç nokta eğme deneyi, Kompozit malzemeler.
Investigation of Bending Behaviors of Honeycomb Sandwich Panels
Abstract
In this study, bending behavior of honeycomb sandwich panels was investigated. Face sheet of honeycomb
sandwich panels was produced from polyester/glass fiber composite. For core materials, polyester impregnated
paper and aluminum were used. Effect of core density and core material on bending strength was examined by
using three point bending test for honeycomb sandwich panels with the same volume but different core
dimensions. The results of bending tests were used to determine the bending strength of panels and shear
stiffness and modulus of cores. It was found that bending strength of paper core was higher than that of
aluminum core. At the near field of the loaded zone, local core crush and shear failure were observed for the
aluminum core panels. However, for the paper core panels, in addition to these failures local cracks and partly
face sheet core debonding were observed. Bending strength and shear stiffness of cores increased with
increasing core density of honeycomb sandwich panels.
Keywords: Honeycomb sandwich panels, Three point bending test, Composite materials.
1. Giriş
Petek yapılı kompozit levhaların üretimi zor
ve pahalı olmasına rağmen; yüksek enerji
sönümleme kabiliyeti, hafiflik, yüksek kayma ve
eğilme rijitliği gibi özellikleri nedeniyle
kullanım alanını havacılık, uzay ve otomotiv
endüstrisinde hızla arttırmaktadır. Petek yapılı
kompozit levhaların hücre kısmını altıgen petek
ya da balpeteği denilen hafif yoğunluklu kısım
oluşturur (Şekil 1). Petek hücre boyutları
levhanın yoğunluğunu belirler. Balpeteği
hücrelerin alt ve üst yüzey örtüsü ile kaplanması
sonucunda sandviç kompozit levhalar elde
edilmiş olur. Yüzey örtüsü olarak genellikle
kompozit plakalar kullanılır. Hücre yoğunluğu,
yüksekliği ve malzemesinin yanında kompozit
yüzey örtü malzemesi seçimi petek yapılı
kompozit levhaların kullanılacağı yere göre
tasarımcılar için çeşitli seçenekler sunar. Bu
durumda ideal petek yapılı kompozit levha
seçiminde,
belirlenen
levhanın
mekanik
M. Yavuz Solmaz, Mete Onur Kaman, Kadir Turan, Aydın Turgut
çıkarma testi (pull-out) gerçekleştirmişlerdir.
Hücre kayması ve burkulması, yüzey örtüsü
hasarı ve pimin kompozit levhadan çıkması
sırasında oluşturduğu ezilme hasarlarını lineer
olmayan
sonlu
elemanlar
metoduyla
modelleyerek sonuçları deneysel verilerle
karşılaştırmışlardır. Aktay ve diğ. [3], sonlu
elemanlarda
katı
modellemeye
uygun
homojenleştirilmiş malzeme modeli ve yarı
uyarlamalı sayısal eşleşme (SAC) tekniği
kullanarak petek yapılı kompozit levhaların
ezilme davranışlarını modellemişler ve SAC
modelinin ezilme davranışı ve hasar oluşumunu
modellemeye daha uygun olduğunu tespit
etmişlerdir.
özellikleri ön plana çıkar. Özellikle yüzey örtü
malzemesi, petek yapılı kompozit levhaların
eğilme dayanımı üzerinde önemli role sahiptir.
Paik ve diğ. [1], deneysel ve teorik olarak
gerçekleştirdikleri çalışmalarında alüminyum
petek hücreli kompozit levhaların dayanımlarını
tespit
etmişlerdir.
Basitleştirilmiş
teorik
bağıntılardan yararlanarak buldukları levha
dayanımlarını üç nokta eğme, eksenel basma ve
yanal ezilme deneyleri sonucunda elde ettikleri
sonuçlarla karşılaştırmışlar ve sonuçları grafikler
halinde sunarak kompozit levhalarda oluşan
hasar
karakteristiklerini
belirlemişlerdir.
Bunyawanichakul ve diğ. [2], hücre malzemesi
olarak kâğıt, yüzey örtüsü olarak ise karbon
fiber/epoksi kompozit levha kullanarak ortasında
pim bulunan petek yapılı levhalardan tek pimi
Yüzey örtüsü
Petek yapılı
hücre
Şekil 1. Petek yapılı kompozit levha ve hücre boyutları.
gerekliliğini belirlemişlerdir. Bu ağırlık oranı
aralığında
üretilen
numunelerin
eğilme
dayanımları ile teoriksel değerler arasında
uyumlu sonuçlar elde etmişlerdir. Belouettar ve
diğ. [7], dört nokta eğme testi uygulayarak petek
yapılı
kompozit
levhaların
yorulma
davranışlarını incelemişlerdir. Çalışmalarında
petek hücre yoğunluğu ve boyutunun maksimum
yük, hasar başlangıcı ve ilerlemesi üzerine
etkisini araştırmışlardır. Jen ve diğ. [8], petek
yapılı kompozit levhalarda yüzey örtüsü ile petek
hücrenin yapıştırıcı ile birleştirilmesi durumunda
kullanılan
yapıştırıcı
miktarının
eğilme
yorulması üzerine etkisini araştırmışlardır. Sonlu
Galletti ve diğ. [4] tarafından, eğilmeye
maruz petek yapılı kompozit levhaların hasar
tipleri ve dayanımları araştırılmıştır. Çalışmada
hasar oluşumunun yüzey örtüsünün mekanik
dayanımının aşıldığı durumda meydana geldiğini
belirlenmiştir. Fiedler ve Öchsner [5], farklı
hücre tipindeki sandviç yapıların eğilme
davranışlarını inceleyerek bu yapıların eğilme
dayanımlarını ve hasar tiplerini belirlemişlerdir.
Hücre malzemesi olarak; petek, alüminyum
köpük ve küre şeklinde boşluklu metal yapılar
kullanmışlardır. He ve Hu [6], petek yapılı
kompozit levhalarda yüzey örtüsü ile hücre
ağırlık oranlarının %50 – 66.7 arasında olması
2
Petek Yapılı Kompozit Levhaların Eğilme Davranışlarının İncelenmesi
Bu çalışmada, farklı hücre yoğunluklarında
aynı hacme sahip kâğıt ve alüminyum petek
hücreli kompozit levhalar üretilmiştir. Hücrelerin
alt ve üst yüzeyleri rastgele dağılımlı cam
fiber/polyester kompozit plakalarla örtülerek
kompozit sandviç yapılar elde edilmiş ve bu
numuneler üç nokta eğme deneyine tabi
tutulmuştur. Eğme deneyi sonucunda sandviç
levhaların eğilme dayanımları ve petek hücre
yapılarının kayma rijitlikleri tespit edilmiştir.
elemanlar metodunu kullanılarak ara yüzey
gerilmelerini elde etmiş ve bu gerilmeleri
yorulma ömrünün tahmini için kullanmışlardır.
Othman ve Barton [9] statik ve dinamik çarpma
yükü etkisindeki petek yapılı kompozit
levhalarda hasar başlangıcı ve ilerlemesini
araştırmışlardır. Üç nokta eğme deneyi yaparak
sandviç levhaların yük taşıma, enerji sönümleme
karakteristikleri ve hasar mekanizmalarını tespit
etmişlerdir. Etkili hasar mekanizmalarını; yük
temas yüzeyi etrafında basınç hasarı, hücre
ezilmesi ve yüzey örtüsü çekme hasarı olarak
belirlemişlerdir. Daniel ve Abot [10], deneysel
olarak sandviç levhaların eğilme davranışlarını
deneysel olarak araştırmış ve elde ettikleri
sonuçları teoriksel sonuçlarla karşılaştırarak,
sonuçların
birbiriyle
uyumlu
olduğunu
göstermişlerdir. Pan ve diğ. [11] tarafından
alüminyum petek hücreli kompozit levhaların
eksenel
kayma
deformasyon
davranışı
incelenmiştir. Kayma testi sonucunda yük-yer
değiştirme
grafiğinden;
kayma
yükünün
maksimum bir değere ulaştığını bu değerden
sonra ani bir düşüş gösterdiğini ve daha sonra
yükün sabit kaldığını gözlemlemişlerdir. Kayma
deformasyon sürecini; elastik deformasyon,
plastik deformasyon, hücre duvarı kırılması ve
petek hücreleri ile yüzey örtüsünün ayrılması
şeklinde tanımlamışlardır. Arslan ve Kaman
[12], alüminyum, polyester reçine emdirilmiş
cam elyaf ve kâğıt petek hücreli kompozit
levhalar üreterek, basma ve çarpma yükleri
altında bu levhaların, maksimum dayanım,
kırılma, deformasyon ve enerji sönümleme
özelliklerini araştırmışlardır.
Alüminyum
levha
2. Petek Yapılı Kompozit Levhaların Üretimi
Petek yapılı kompozit levhalar; balpeteği
şeklindeki hücrelerin ve yüzey örtüsü
plakalarının üretilmesi ve daha sonra bu iki
yapının birleştirilmesiyle elde edilirler. Petek
yapıların üretiminde uzatma ve kıvırarak şekil
verme olmak üzere genellikle iki temel teknik
kullanılır [12]. Bu çalışmada petek hücre
malzemesi olarak 0.15 mm kalınlığında
alüminyum ve ortalama 0.45 mm kalınlığında
polyester reçine emdirilmiş kâğıt kullanılmıştır.
Polyester emdirilmiş kağıdın polyester hacim
oranı % 77.8, kağıdın hacim oranı ise % 22.2’dir.
48 mm genişliğinde şerit halinde hazırlanan
petek malzemeleri öncelikle altıgen kesitli metal
kalıplar arasına yerleştirilmiş daha sonra kalıplar
sıkıştırılarak kıvrılmış şeritler elde edilmiştir.
Üretilen şeritlerin hücre duvarları yapıştırıcı
kullanılarak birleştirilmiş ve altıgen kesitli petek
yapılı (balpeteği) hücreler elde edilmiştir (Şekil
2).
Kıvrılmış şerit
Şeritlerin birleştirilmesiyle
elde edilen petek yapılı hücre
Kıvırma
kalıpları
Şekil 2. Petek hücrelerinin üretim aşamaları.
3
M. Yavuz Solmaz, Mete Onur Kaman, Kadir Turan, Aydın Turgut
Şekil 3. Farklı hücre boyutlarına sahip metal kalıplar ve üretilen petek yapılı hücreler.
neticesinde matris malzemesi ile yüzey örtü
malzemesinin yük altında ideal etkileşimi
sağlanmıştır. Katılaşma sürecini tamamlayan
kompozit plaka ile ona yapışmış haldeki petek
hücre yapısının diğer yüzeyi de aynı işlemler
tekrarlanılarak petek hücrelerin her iki tarafı
kompozit plakalar ile kapatılmıştır (Şekil 4). Oda
sıcaklığında katılaşma sürecini tamamlayan
sandviç yapı tel testere ile petek hücre
boyutlarında kesilerek deney numuneleri
hazırlanmıştır.
Levhaların sıkıştırılması esnasında kalıp ile
levhalar arasındaki sürtünmeden dolayı petek
malzemesinde oluşacak kesme ve yırtılma
hasarını önlemek amacıyla kalıp yağlanmıştır.
Şekil 3’de şerit halindeki levhaların kıvrılma
işleminde kullanılan farklı hücre boyutuna sahip
kalıplar ve üretilen balpeteği hücreler
gösterilmiştir.
Bu çalışmada yüzey örtü malzemesi olarak
cam fiber ve polyester reçineden oluşan
kompozit
levhalar
kullanılmıştır.
Matris
malzemesi olarak, Erco Polyester E-6 döküm tipi
polyester reçine, sertleştirici (hardener) olarak
Erco Mek Peroksit– Ece Perox ve hızlandırıcı
olarak da Erco Kobalt Oktaat (%6) - Ece Dryer
kullanılmıştır. Karışım oranı olarak 50 gr
reçineye karşılık 4 gr sertleştirici ve 4 gr
hızlandırıcı
seçilmiştir
(50:4:4).
Matris
malzemesi içerisine iki tabaka halinde rastgele
dağılıma sahip cam fiber yerleştirilerek ortalama
ty=2.4 mm kalınlığında kompozit yüzey örtüsü
plakaları üretilmiştir. Üretilen polyester/cam
fiber yüzey örtüsünün fiberin hacim oranı %
49.32, polyester hacim oranı ise % 50.68’dir.
Kompozit plakaların katılaşması sırasında petek
hücreler plakaların üzerine yerleştirilerek yüzey
örtüsü ile petek hücrelerin sıvı haldeki matris
yardımıyla birleşmesi sağlanmıştır. Bu işlem
3. Üç Nokta Eğme Deneyi
Üretilen kompozit levhaların eğilme
davranışları üç nokta eğme deneyi ile
incelenmiştir. H=5, 15 ve 25 mm olmak üzere
üç farklı hücre boyutunda üretilen petek
yapıların resmi ve hücre sayıları ise Tablo 1’de,
deney numunelerinin boyutları ise Şekil 5’de
verilmiştir.
Eğme deneyleri UTEST (1kN) marka
üniversal çekme/basma test cihazında 0.5
mm/dak. basma hızında gerçekleştirilmiştir.
Deney sonucunda farklı hücre yoğunluğuna
sahip numunelerin yük-sehim grafikleri elde
edilmiştir.
Şekil 4. Petek hücre ile kompozit plakanın birleştirilmesi.
4
Petek Yapılı Kompozit Levhaların Eğilme Davranışlarının İncelenmesi
Tablo 1. Eşit hacimli numunelerin hücre boyut ve sayıları.
Malzeme
5
Hücre boyutu (H:mm)
15
25
127
Hücre Sayısı
28
11
Alüminyum
Hücre boyutu (H:mm)
5
15
25
Kâğıt
Hücre Sayısı
28
127
Yüzey örtüsünün eğilme gerilmesi (σ), petek
hücrelerin ise kayma gerilmesi taşıdığı kabul
edilerek (Şekil 5); levhaların yapmış olduğu
toplam sehim miktarı;
δ=
Pl3
Pl
+
48 E y I y 4 A G h
11
şeklinde yazılabilir [1,13,14]. Burada;
Ey :
Yüzey örtüsünün elastisite modülü, I y : Atalet
momenti, P : Uygulanan yük, l : Mesnetler arası
mesafe, A : Petek hücrenin kesit alanı
( A = T W ), Gh : Petek hücrenin kayma
modülüdür. Şekil 5’e göre yüzey örtünün eğilme
rijitliği;
(1)
5
M. Yavuz Solmaz, Mete Onur Kaman, Kadir Turan, Aydın Turgut
Yük (P)
85 mm
85 mm
y
ty
σ
x
τ
P/2
l=125 mm
P/2
T
ty
W=45 mm
Şekil 5. Deney şartları ve numune boyutları.
⎡⎛ T + t y
D = E y I y = E y 2 W ⎢⎜⎜
⎢⎣⎝ 2
t ⎤
⎞
⎟⎟ t y + ⎥
12 ⎥
⎠
⎦
2
3
y
S = Gh A =
(2)
ty
T
< 0.1
oranı
geçerli
olup,
başlangıç eğimidir (
çalışmamızda bu oran 0.05’tir. T + t y ≈ T kabul
1
Ey W ty T 2
2
P
δ
). Petek yapılı kompozit
levhanın maksimum eğilme dayanımı;
edildiğinde (2) eşitliği aşağıdaki şekle dönüşür
[1,6, 10].
D = Ey I y =
(4)
1
l3
4( −
)
m 48 D
şeklinde yazılabilir. Burada; m : Her bir eğilme
numunesine ait yük-sehim sehim grafiğinin
olarak yazılır [6]. Pratik uygulamaların çoğunda
0.02 <
l
σ max =
(3)
E y M max
D
(5)
y
dır. Burada; y : yüzey örtüsü kesitinin tarafsız
eksenden olan uzaklığı olup, M max : maksimum
eğilme momenti ise,
Yüzey örtüsünün elastisite modülünü
hesaplamak
amacıyla
çekme
numunesi
hazırlanmış ve deney sonucunda elde edilen
gerilme-şekil değiştirme grafiği Şekil 6’da
verilmiştir.
Kompozit
malzemenin
fiber
doğrultusu rasgele dağılımlı olduğundan fiber
takviyesi (1) ve fiber takviyesine dik
doğrultudaki (2) elastisite modülleri birbirine eşit
olup Şekil 6’daki gerilme-şekil değiştirme
grafiğinin eğiminden E1 = E 2 = E y = 5500
M max =
Pmax l
4
(6)
değerine eşittir. Pmax : Eğilme deneyi sonucu elde
edilen yük sehim grafiğindeki maksimum kritik
yük değeridir.
MPa olarak hesaplanmıştır. (3) eşitliği
kullanılarak, petek yapılı kompozit levhaların
eğilme rijitliği D = 684.3 106 Nmm2 olarak
bulunmuştur. Üretilen petek hücrelerin kayma
rijitliklerini hesaplamak amacıyla (1) eşitliği;
y=
T + ty
2
≈
T
şartı yazılarak
2
(5) eşitliği;
σ max =
Pmax l
4W T t y
olarak elde edilir [1,6].
6
(7)
Petek Yapılı Kompozit Levhaların Eğilme Davranışlarının İncelenmesi
500
1
450
400
Gerilme (MPa)
350
2
300
250
P
200
150
100
50
0
0
0,015
0,03
0,045
0,06
0,075
0,09
Şekil değiştirme oranı (%)
Balpeteği yüzey örtüsü malzemesi, polyester/cam fiber
Şekil 6. Yüzey örtüsünün gerilme-şekil değiştirme grafiği.
4. Sonuçlar
mm hücre boyutunda 427.61 N olarak
bulunmuştur. Hücre boyutunun artmasına bağlı
olarak hem maksimum yük değerinin hem de
rijitliğin her iki petek hücre malzemesi için
azaldığı görülmüştür.
Yük-sehim grafiklerinden elde edilen eğim
ve maksimum kritik yük değerleri kullanılarak
(4) ve (7) eşitlikleri yardımıyla alüminyum ve
polyester reçine emdirilmiş kâğıt hücreli
kompozit levhaların farklı hücre boyutu için
eğilme dayanımları ( σ max ), petek hücre kayma
Üç nokta eğme deneyi sonucunda farklı
hücre boyutlarına sahip alüminyum ve kâğıt
petek yapılı kompozit levhalar için elde edilen
yük-sehim grafikleri sırasıyla Şekil 7 ve 8’de
verilmiştir. Levhaların maksimum eğilme
dayanımları ve hücrelerin kayma gerilmeleri
Şekil 7 ve 8’de görülen yük-sehim grafiklerinin
lineer
bölgesinden
yararlanılarak
tespit
edilmiştir. Grafikler incelendiğinde kâğıt hücreli
levhaların maksimum kritik yük değerinin
alüminyum hücreli levhalara göre daha yüksek
olduğu görülmektedir. Polyester emdirilmiş
kâğıdın elastisite modülü yaklaşık olarak 7 GPa
(Şekil 9), alüminyumun elastisite modülü ise ≈70
GPa olmasına rağmen, kâğıdın et kalınlığının
(0.45 mm) alüminyuma göre (0.15 mm) daha
fazla olması, buna bağlı olarak da yük
etkisindeki altıgen kesit kalınlığının artması bu
sonucun ortaya çıkmasına neden olmaktadır.
En yüksek kritik yük değeri H=5 mm için kâğıt
petek yapılı levhada 5106.72 N olarak, en düşük
yük değeri ise alüminyum malzeme için H= 25
rijitlikleri ( S ) ve kayma modülleri ( Gh ) elde
edilmiş ve Tablo 2’de verilmiştir. Hücre
boyutunun artması maksimum kritik yük
değerinin azalmasına dolayısıyla da numunelerin
eğilme dayanımlarında düşüşe neden olmuştur.
Kâğıt hücreli levhaların tamamının eğilme
dayanımları alüminyum hücreli olanlardan daha
yüksektir. H=25 mm hücre boyutundaki kâğıt
hücreli levha için σ max = 8.71 MPa iken, H= 5
mm alüminyum hücreli levha için bu değer 8.32
MPa’dır.
7
M. Yavuz Solmaz, Mete Onur Kaman, Kadir Turan, Aydın Turgut
1800
y = 1831,2x + 175,53, H=5 mm
1500
Yük (N)
1200
y = 904,62x - 45,147, H=15 mm
900
600
300
y = 503,75x + 65,575, H=25 mm
0
0
5
10
Sehim (mm)
15
20
25
H=5 mm
H=25 mm
H=15 mm
H=5 mm kritik yük değeri
H=15 mm kritik yük değeri
H=25 mm kritik yük değeri
Şekil 7. Alüminyum petek hücreli kompozit levhaların farklı hücre boyutları için yük-sehim grafikleri.
7000
y = 2945,6x + 32,857, H=5 mm
6000
Yük (N)
5000
y = 2200,2x - 93,737, H=15 mm
4000
3000
2000
y = 1056,3x + 17,327, H=25 mm
1000
0
0
5
10
15
20
25
Sehim (mm)
H=5 mm
H=15 mm
H=25 mm
H=5 mm kritik yük değeri
H=15 mm kritik yük değeri
H=25 mm kritik yük değeri
Şekil 8. Kâğıt petek hücreli kompozit levhaların farklı hücre boyutları için yük-sehim grafikleri.
yanı sıra petek hücre ile yüzey örtüsünü
birleştirmek amacıyla kullanılan yapıştırıcının,
yük temas yüzeyi etrafında oluşan hücre
ezilmesi, kayma davranışı vb. hasar tipleri
oluşumu üzerine önemli etkisi vardır. Çalışmada
kompozit plakanın petek yapı ile katılaşma
öncesi birleştirilmesi sağlanmış, dolayısıyla da
cam fiber/polyester plaka ile petek yapının
etkileşimi hasar tiplerini etkilemiştir.
Hücre boyutunun artmasıyla hem kâğıt hem
de alüminyum hücrelerin kayma modülleri
azalmıştır. En yüksek kayma modülü H=5 mm
de 51.66 MPa olarak kâğıt için elde edilmiştir.
Aynı hücre boyutuna sahip kâğıt hücrelerin
kayma modülleri Al göre daha yüksektir.
Petek yapılı kompozit levhaların eğilme
dayanımlarının yanı sıra oluşan hasar tiplerinin
de belirlenmesi önemlidir. Hücre malzemesinin
8
Petek Yapılı Kompozit Levhaların Eğilme Davranışlarının İncelenmesi
200
180
Gerilme (MPa)
160
140
y = 7081,7x - 3,1071
120
100
80
60
40
20
0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
Şekil değiştirme oranı (%)
Kağıt/polyester hücre malzemesi
Doğrusal eğim
Şekil 9. Polyester emdirilmiş kâğıt hücre malzemesinin gerilme-şekil değiştirme grafiği.
Alüminyum
Kâğıt
Tablo 2. Farklı hücreli petek yapılı kompozit levhaların eğilme dayanımları ve hücre kayma rijitlikleri.
H
m (N/mm)
Pmax (N)
σ max (N/mm2)
S (N)
Gh (N/mm2)
5
2945.60
5106.72
30.78
111596.37
51.66
15
2200.20
3008.97
18.14
79105.56
36.62
25
1056.30
1445.60
8.71
35221.65
16.31
5
1831.20
1379.75
8.32
64217.48
29.73
15
904.62
602.61
3.63
29876.46
13.83
25
503.75
427.61
2.57
16228.29
7.51
ve 25 mm hücre boyutlarında hücre duvarı
burkulması sonrasında 450’lik açılarda çatlak
oluşumlarına sebep olmuştur [2, 7]. Bu durum
H= 15 mm hücre boyutu için Şekil 11’de
gösterilmiştir. H=5 mm boyutundaki hücreler
için ise kayma rijitliğinin artmasından dolayı
hasar yüzey örtüsü ile hücrelerin ayrılması
şeklinde oluşmuştur (Şekil 12). Yük artışı ile
alüminyum hücrelerdekine benzer olarak, yükün
uygulanma bölgesi civarında hücre ezilmesi
hasarı meydana gelmiştir.
Alüminyum hücreli kompozit levhalarda yük
temas yüzeyi etrafında deney başlangıcında
petek hücre duvarı burkulması, bölgesel hücre
ezilmesi ve de yük artışına bağlı olarak yüzey
örtüsü ile hücre birleşim bölgesinde kayma
gözlemlenmiştir (Şekil 10). Bu durum diğer
hücre boyutundaki alüminyum petek yapılı
kompozit levhalar için de geçerlidir. Kâğıt petek
hücreli kompozit levhaların hasar davranışları,
alüminyum petek hücreli kompozit levhadakiler
ile benzer davranışlar göstermiştir. Ancak yük
temas bölgesi etrafında belirli bir yük sonrası
eğilme etkisiyle oluşacak kayma gerilmesi, H=15
9
M. Yavuz Solmaz, Mete Onur Kaman, Kadir Turan, Aydın Turgut
Bölgesel
hücre ezilmesi
Hücre
kaymaları
Şekil 10. H=25mm için alüminyum petek hücreli kompozit levhanın hasar aşamaları
Hücre duvarı
burkulması
Hücre
ezilmesi
450 çatlak
oluşumu
Şekil 11. H=15mm için kâğıt petek hücreli kompozit levhanın hasar aşamaları.
Bölgesel
hücre / yüzey
ayrılması
Şekil 12. H=5mm için kâğıt petek hücreli kompozit levhanın hasar aşamaları.
5. Tartışma
reçine emdirilmiş petek yapılı kompozit
levhaların üç nokta eğme deneyi ile eğilme
dayanımları, petek hücrelerin ise kayma
rijitlikleri tespit edilmiştir. Deney sonucunda
alüminyum ve kâğıt hücreli levhalarda oluşan
hasar mekanizmaları incelenmiş ve elde edilen
sonuçlar aşağıda sunulmuştur:
Petek yapılı kompozit levhalar gittikçe artan
kullanım alanlarıyla günümüzün mühendislik
yapılarındandır. Hücre boyutu, et kalınlığı ve
yüzey örtü malzemesi petek yapılı kompozit
yapıların kullanım yeri ve amacına uygun olarak
optimum özelliklerde belirlenmesi gereken
parametrelerdir. Bu çalışmada H=5, 15 ve 25mm
hücre boyutlarında alüminyum ve polyester
10
Petek Yapılı Kompozit Levhaların Eğilme Davranışlarının İncelenmesi
Petek yapılı kompozit levhaların yüzey
örtüsü olan cam fiber/polyester kompozit
plakanın eğilme rijitliği 684.3 106 Nmm2 olarak
hesaplanmıştır.
Polyester reçine emdirilmiş kâğıt hücreli
kompozit levhaların eğilme dayanımları, bütün
hücre boyutları için alüminyum hücreli kompozit
levhalardan daha yüksek olarak elde edilmiştir.
Hücre boyutunun artmasına bağlı olarak, eğilme
dayanımında hem kâğıt hem de alüminyum
hücreli numuneler için azalma gözlenmiştir.
Kâğıt hücreli levhaların kayma rijitlikleri ve
kayma modülleri aynı hücre boyutuna sahip
alüminyum levhalara göre daha yüksek olarak
tespit edilmiştir.
Alüminyum hücreli
bütün kompozit
levhalarda meydana gelen hasarlar; yük temas
yüzeyi etrafında petek hücre duvarı burkulması,
bölgesel hücre ezilmesi ve artan yüklerde yüzey
örtüsü ile hücrelerin birleşim bölgesindeki
hücreler arasında kayma şeklindedir.
Kâğıt hücreli kompozit levhalarda meydana
gelen hasarlar; H=15 ve 25 mm hücre boyutları
için, yük temas yüzeyi etrafında hücre duvarı
burkulması, yük artışına bağlı olarak 450’lik
açılarda çatlak oluşumları ve bölgesel hücre
ezilmesi şeklindedir.
H=5 mm hücre boyutuna sahip numunelerde;
hücre boyutunun azalmasından dolayı kayma
rijitliği arttığı için kompozit plaka ile hücreler
arası ayrılma hasarı meydana gelmiştir.
Kaynaklar
8.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Paik, J.K., Anil K. Thayamballi, A.K. and Kim,
G.S. (1999). The strength characteristics of
aluminum honeycomb sandwich panels. ThinWalled Structures, 35(3), 205–231.
Bunyawanichakul, P., Castanié, B. and Barrau,
J.J. (2008). Non-linear finite element analysis of
inserts in composite sandwich structures.
Composites: Part B, 39(7-8), 1077-1092.
Aktay, L., Johnson, A. F. and Kroplin, B.H.
(2008). Numerical modelling of honeycomb core
crush
behaviour.
Engineering
Fracture
Mechanics, 75(9), 2616–2630.
Galletti, G.G., Vinquist, C. and Es-Said, O.S.
(2008). Theoretical design and analysis of a
honeycomb panel sandwich structure loaded in
pure bending. Engineering Failure Analysis,
15(5), 555–562.
Fiedler, T. and Ochsner, A.(2008). Experimental
analysis of the flexural properties of sandwich
panels
with
cellular
core
materials.
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik,
39(2), 121,124.
He, M. and Hu, W. (2008). A study on composite
honeycomb sandwich panel structure. Materials
and Design, 29(3), 709–713.
Belouettar, S., Abbadi, A., Azari, Z., Belouettar,
R.
and
Freres,
P.(2009).Experimental
investigation of static and fatigue behaviour of
composites honeycomb materials using four point
bending tests. Composite Structures, 87(3), 265–
273.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
11
Jen,Y.M., Ko, C. W. and Lin, H.B. (2009). Effect
of the amount of adhesive on the bending fatigue
strength of adhesively bonded aluminum
honeycomb sandwich beams. International
Journal of Fatigue, 31(3), 455–462.
Othman, A.R. and Barton, D.C.(2008). Failure
initiation and propagation characteristics of
honeycomb sandwich composites. Composite
Structures, 85(2), 126–138.
Daniel, I.M. and Abot, J.L. (2000). Fabrication,
testing and analysis of composite sandwich
beams. Composites Science and Technology,
60(12-13), 2455-2463.
Pan, S.D., Wu, L.Z., Sun, Y.G., Zhou, Z.G. and
Qu, J.L. (2006). Longitudinal shear strength and
failure process of honeycomb cores. Composite
Structures, 72(1), 42–46.
Arslan, N. ve Kaman, M.O.(2002). Alüminyum,
kağıt ve cam elyaf petek yapılı kompozitlerin
üretim teknikleri ve mekanik özelliklerinin
araştırılması.
Dokuz
Eylül
Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik
Dergisi, 4(3), 113-123.
Hazizan, M.A. and Cantwell, W.J. (2003). The
low velocity impact response of an aluminium
honeycomb sandwich structure. Composites: Part
B, 34(8), 679–687.
Hexcel
Composites.
(2000).
HexwebTM
Honeycomb Sandwich Design Technology,
Publication No. AGU 075b, 28s.