CIVATA BAĞLANTILI TABAKALI KOMPOZ T LEVHALARDA HASAR ANAL Z Tolga DURSUN

194 Pages·2007·1.61 MB·Turkish

CIVATA BAĞLANTILI TABAKALI KOMPOZİT LEVHALARDA
HASAR ANALİZİ

Tolga DURSUN

DOKTORA TEZİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

HAZİRAN 2006
ANKARA
Tolga DURSUN tarafından hazırlanan CIVATA BAĞLANTILI TABAKALI
KOMPOZİT LEVHALARDA HASAR ANALİZİ adlı bu tezin doktora tezi olarak
uygun olduğunu onaylarım.

Prof. Dr. Mahmut ÖZBAY
Tez Yöneticisi

Bu çalışma, jürimiz tarafından Makina Mühendisliği Anabilim Dalında doktora tezi
olarak kabul edilmiştir.

Başkan : Prof. Dr. Tekin GÜLTOP

Üye : Prof. Dr. Mahmut ÖZBAY

Üye : Prof. Dr. Ramazan KARAKUZU

Üye : Prof. Dr. Levend PARNAS

Üye : Yar. Doç. Dr. Selim TÜRKBAŞ

Tarih :......./......../...............

Bu tez, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygundur.
TEZ BİLDİRİMİ

Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde
edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu
çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.

Tolga DURSUN
iv
CIVATA BAĞLANTILI TABAKALI KOMPOZİT LEVHALARDA
HASAR ANALİZİ
(Doktora Tezi)

Tolga DURSUN

GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Haziran 2006
ÖZET

Cıvata bağlantılı tabakalı kompozit levhaların çekme kuvveti altındaki
davranışlarını incelemek, meydana gelen hasar biçimlerini belirleyebilmek ve
maksimum yük taşıma kapasitelerini doğru şekilde hesaplayabilmek amacıyla
üç boyutlu hasar ilerleme modellemesi yapabilen bir program geliştirilmiştir.
Geliştirilen bu program, genel amaçlı sonlu eleman analiz programı olan
ANSYS ile birlikte çalıştırılmış, gerilme ve hasar analizleri yapılmıştır. Hasar
ilerleme modelinde Hashin hasar kriterleri kullanılmış ve kompozit levhadaki
hasar şekline göre malzeme özellikleri zayıflatılmıştır. Çekme hasarı, kayma
hasarı ve ezilme hasarı değerlendirilmiştir. Geliştirilen hasar ilerleme modeli,
literatürde yer alan deneysel çalışmalar ile karşılaştırılmış ve %2 oranlarında
farklılık elde edilmiştir.

Sonlu eleman analizlerinde cıvata, kompozit levha ve metal levhalar üç boyutlu
ve elastik olarak modellenmiş, cisimler arasında temas tanımlanarak gerilme
analizleri gerçekleştirilmiştir.

Çalışmanın ikinci kısmında ise, tabaka takviye açılarının, levha geometrisinin
ve cıvata ön gerilmesinin, cıvata bağlantılı kompozit yapılarda mukavemete
olan etkisi araştırılmış ve hasar şekilleri incelenmiştir. Cıvata delik merkezi ile
levha kenarı arasındaki uzaklığın, delik çapına oranı 1’den 4’e ve levha
genişliğinin delik çapına oranı 2’den 4’e kadar değiştirilmiş, cıvata ön gerilmesi
v
de 0’dan 5 Nm’ye kadar değiştirilerek gerilme ve hasar analizleri
uygulanmıştır. Analizlerde [0] , [(0 /90 )] ve [0/±45/90] konfigürasyonları
8 2 2 s s
incelenmiş ve maksimum yük taşıma kapasiteleri hesaplanmıştır.

Bilim Kodu :914.1.073
Anahtar Kelimeler : Kompozit malzeme, sonlu elemanlar analizi, hasar
ilerleme modeli
Sayfa Adedi : 174
Tez Yöneticisi : Prof.Dr. Mahmut ÖZBAY
vi
FAILURE ANALYSIS OF BOLTED LAMINATED COMPOSITE PLATES
(Ph.D. Thesis)

Tolga DURSUN

GAZI UNIVERSITY
INSTUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
June 2006

ABSTRACT

A three dimensional progressive damage modelling program has been
developed to investigate the behavior of bolted laminated composite plates, to
determine the failure modes and maximum load carrying capacities under
tensile loading. Both stress and failure analyses have been performed using this
program in conjunction with a general finite element code, ANSYS. In the
progressive damage model, Hashin failure criteria have been applied and
according to the damage type, material properties of composite plate have been
degraded. Net-tension, shear and bearing failure modes have been considered.
The progressive damage model has been compared with the experimental
studies available in literature and approximately 2% difference has been
obtained.

In finite element analyses, bolt, composite plate and metallic plates have been
modeled in three dimension. Additionally, a contact model between the bodies
has been used during the analyses.

In the second part of the study, the effects of laminate ply angle, plate geometry
and bolt pre-tension on the strength of bolted composite plates have been
investigated and failure modes have been examined. The ratio of the edge
distance to hole diameter and plate width to hole diameter have been changed
from 1 to 4 and 2 to 4, respectively. Also, bolt pre-tension has been changed
vii
from 0 to 5 Nm and analyses have been applied accordingly. [0] , [(0 /90 )] and
8 2 2 s
[0/±45/90] configurations have been analyzed and maximum load carrying
s
capacities have been determined.

Science Code : 914.1.073
Key Words : Composite material, finite element analysis, progressive
damage model
Page Number : 174
Advisor : Prof.Dr. Mahmut ÖZBAY
viii
TEŞEKKÜR

Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren tez yöneticim
Prof.Dr. Mahmut ÖZBAY, Prof.Dr. Ramazan KARAKUZU ve Yar.Doç.Dr. Selim
TÜRKBAŞ’a teşekkürlerimi sunarım.

Çalışmalarım süresince desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen, her zaman yanımda
olan ve tecrübeleriyle bana yardımcı olan başta babam, Prof.Dr. Nejdet DURSUN
olmak üzere çok sevgili annem Yüksek Mühendis Gülümser DURSUN ve çok
sevgili ablam Yar.Doç.Dr. Belda DURSUN’a sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
ix
İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET...........................................................................................................................iv

ABSTRACT................................................................................................................vi

TEŞEKKÜR..............................................................................................................viii

İÇİNDEKİLER.......................................................................................................... ix

ÇİZELGELERİN LİSTESİ.......................................................................................xii

ŞEKİLLERİN LİSTESİ...........................................................................................xiii

SİMGELER VE KISALTMALAR............................................................................xx

1. GİRİŞ.......................................................................................................................1

2. KOMPOZİT MALZEMELERİN MEKANİĞİ....................................................15

2.1. Kompozit Malzemelerin Gerilme Analizi......................................................15

2.2. Tabakalı Kompozit Malzemelerin Gerilme Analizi.......................................20

2.3. Kompozit Malzemeler için Hasar Kriterleri..................................................25

2.3.1. Maksimum gerilme teorisi...................................................................26

2.3.2. Maksimum şekil değiştirme teorisi......................................................27

2.3.3. Tsai-Hill hasar teorisi...........................................................................27

2.3.4. Hoffman hasar kriteri...........................................................................28

2.3.5. Tsai-Wu hasar teorisi...........................................................................29

2.3.6. Hashin hasar teorisi..............................................................................30

3. SONLU ELEMANLAR METODU.......................................................................32

4. CIVATA BAĞLANTILI KOMPOZİT YAPILAR...............................................40

4.1. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları...................................................41
x

Sayfa

4.2. Cıvata Bağlantılı Kompozit Yapılarda Tasarım Kriterleri..............................43

5. CIVATA BAĞLANTILI YAPILARIN SONLU ELEMANLAR METODU
İLE MODELLENMESİ.........................................................................................48

5.1. Temas Modellemesi........................................................................................48

5.2. Cıvata Ön Gerilmesinin Tanımlanması...........................................................52

6. KOMPOZİT MALZEMELER İÇİN HASAR İLERLEME
PROGRAMININ GELİŞTİRİLMESİ...................................................................56

6.1. Tabakalı Kompozit Malzemeler için Geliştirilen Hasar İlerleme Modeli......56

6.2. Sonlu Elemanlar Modelinin Hazırlanması......................................................58

6.3. Geliştirilen Hasar İlerleme Programının Uygulanması...................................64

6.4. Geliştirilen Hasar İlerleme Programının Doğrulanması..................................68

7. CIVATA BAĞLANTILI KOMPOZİT LEVHALARIN
GERİLME VE HASAR ANALİZİ........................................................................83

7.1 Yakınsama Testi...............................................................................................86

7.2 Temas Modellemesinin Doğrulanması............................................................88

7.3 [0 ] Konfigürasyonu Sonlu Elemanlar Analizleri............................................92
8

7.4 [0 /90 ] Konfigürasyonu Sonlu Eleman Analizleri.......................................109
2 2 s

7.5 [0/±45/90] Konfigürasyonu Sonlu Eleman Analizleri..................................129
s

7.6 Cıvata Ön Gerilmesinin Mukavemete Etkisi.................................................145

7.7 Sürtünme Katsayısının Mukavemete Etkisi...................................................152

8. SONUÇ VE ÖNERİLER....................................................................................154

KAYNAKLAR........................................................................................................157

EKLER.....................................................................................................................162
EK-1 Örnek Hasar İlerleme Programı .....................................................................163