(Kompozit Malzeme Mekaniği) (Mechanics of Composites Materials) Prof.Dr. Mehmet Zor (DEU Makine Mühendisliği Bölümü) DERS İÇERİĞİ

Transkript

1 (Kompozit Malzeme Mekaniği) (Mechanics of Composites Materials) Prof.Dr. Mehmet Zor (DEU Makine Mühendisliği Bölümü) DERS İÇERİĞİ 1

2 Kompozit Malzemelerin Tanımı En az iki farklı malzemenin makro seviyede (birbiri içerisinde çözünmeyecek şekilde) birleştirilmesiyle oluşturulan yeni malzemelere kompozit malzemeler denir. Amaç ise bileşenlerde tek başına iken mevcut olmayan bazı özelliklerin (hafiflik, dayanım, esneklik, vb.) geliştirilmesi ve biraraya getirilmesidir. 2

3 Kompozit Malzemelerin Mekaniği Ne demek? Dış yüklerin etkisindeki katı cisim ve sistemlerin mekanik davranışlarını inceleyen Mekanik Anabilim Dalı nın 3 temel dersi vardır: Statik, Dinamik, Mukavemet Statikte, dış yüklerin etkisine maruz, durağan haldeki katı cisim ve sistemlerde kuvvet hesaplamaları; Dinamikte, dış yüklerin etkisine maruz hareketli katı cisim veya sistemlerde hız, ivme, kuvvet arasındaki hesaplamalar; Mukavemette ise dış yüklerin etkisine maruz hareketli veya sabit katı cisim veya sistemlerde dayanım hesapları ve boyutlandırma yapılır. Statik ve Dinamik hesaplamalarda katı cismin malzeme özellikleri formüllerde (genel olarak ) yer almaz. Ancak mukavemet hesaplarında malzeme özellikleri yer alır. O halde statik ve dinamik hesapları kompozitler için de geçerlidir diyebiliriz. Ancak mukavemet dersinde gördüğümüz hesaplama şekilleri, malzeme özellikleri farklı olması sebebiyle kompozit malzemeler için değişir. İşte bu ders kapsamında, kompozitlerin mukavemet hesaplamaları incelenecektir. Bu sebeple bu derse «Kompozit Malzemelerin Mukavemeti» ismi de vermek mümkündür. 3

4 Kompozitlerin Uygulama Alanları Kompozitler; Uzay teknolojisi, Denizcilik sektörü, Tıp alanında (Tıbbi cihazların imalatı), Robot teknolojisi, Kimya sanayisi, Elektrik-Elektronik teknolojisi, Müzik aletleri endüstrisi, İnşaat ve yapı sektörü, Otomotiv Sektörü, Savunma Sanayi ve Havacılık Sektörü, Gıda ve Tarım Sektörü Spor malzemeleri imalatı (yüksek atlama sırıkları, tenis raketleri, sörf, yarış tekneleri, kayak vs.) gibi pek çok alanda kullanılmaktadır. Bugün için birçok ürünün alternatifi olarak kompozit ürünler geliştirilmiştir. 4

5 Kompozit Malzemelerin Mekaniğini bilmenin önemi Görüldüğü gibi kompozit malzemeler çok farklı sektörlerde kullanılabilmekte, sürekli geliştirilmekte ve kullanım oranı günden güne artmaktadır. Mühendis olarak çalıştığımız herhangi bir işletmede kompozit yapıların karşımıza çıkma olasılığı oldukça yüksektir. Sadece kompozit üreticisi firmalarda değil, kullanım durumuna göre diğer firmalarda da kompozit malzemelere yönelik ar-ge faaliyetleri yapılabilmektedir. Hafiflik, ekonomiklik ve dayanımı aynı anda ve daha optimum seviyede sağlayabilmek için, farklı konstüriksiyonlarda kullanılan elemanların kompozit alternatifleri denenebilmektedir. Bu sebeple, bir mühendis olarak, izotropik (metal, seramik vb.) malzemeler için yapabildiğimiz tasarım, analiz, teorik hesaplamalar, deneysel ölçümler, geliştirmeler, imalat gibi faaliyetleri, kompozit malzemeler için de yapabiliyor olmamız bizim için önemli bir ayrıcalık ve tercih edilme sebebi olacaktır. 5

6 Mühendislik Faaliyetleri Bir makina mühendisinden kompozitler konusunda genel olarak aşağıdaki faaliyetleri yapabilmesi beklenir: o o o o o Üretilebilecek yeni bir kompozit yapıya en uygun kompozit malzeme bileşenlerini ve üretim teknolojisini belirlemek; Üretim prosesini yönetebilmek, Farklı endüstriyel uygulamalara yönelik yeni kompozitler tasarlayabilmek, Yeni veya mevcut bir kompozitin mekanik ve ısıl davranışlarını karekterize eden malzeme özelliklerini deneysel veya teorik olarak belirleyebilmek, Uygulamalarda kullanılan kompozit sistemlerde ortaya çıkan, mekanik veya ısıl problemleri analiz ederek, problemlerin sebeplerini belirleyebilmek, çözümler geliştirmek ve sistemin verimliliğini arttırıcı yeni tedbirler ortaya koymak ve uygulamak. 6

7 Mühendislik Faaliyetleri Kompozitlerin mekanik davranışlarının izotropik malzemelerden daha farklı olması, yöne göre değişebilmesi, mekanik açıdan farklı yaklaşım ve kriterlerle incelenmelerini gerektirir. Zaten bu ders kapsamındaki amacımız da bu farklılıkları öğretmek ve kompozitler için de mühendislik ar-ge faaliyetlerini yapabilecek temel bilgi birikimine sahip olmanızı sağlamaktır. Hocam, mil malzemesini kompozit yapalım. Von-mises gerilmelerine tekrar bakalım. Mili kompozit yaparsak, Von-Mises e göre değil, onun kompozitlerdeki eşdeğeri Tsai- Hill kriterine göre değerlendirme yapmamız gerekir. Kompozitler için akmakırılma kriterleri farklıdır. 7

8 Mühendislik Faaliyetleri Özet olarak bir makina mühendisi kompozit malzemeler konusunda, şu 4 temel alanda bilgi ve beceri sahibi olmalıdır diyebiliriz: 1- Teorik hesaplamalar, 2- Yaklaşık çözüm yöntemleri, 3- Deneysel Ölçümler, 4-Üretim Yöntemleri 8

9 Mühendislik Faaliyetleri 1- Teorik hesaplamalar: İzotropik malzemelerin mukavemet hesaplarında olduğu gibi farklı yükleme durumları ve geometriler için, mekanik davranışlara yönelik farklı teoriler ve formüller kompozit malzemeler için de vardır. Ancak bu formüller izotropik malzemelerinkine göre çok daha kapsamlı ve ayrıntılıdır. Kompozit malzemenin biçimine göre de değişiklik arz etmektedir. Teorik Hesaplamalarda büyük matrislerle işlemler söz konusu olduğundan bilgisayar desteğine ihtiyaç duyulmaktadır. Örneğin Matlab programı ile matrislere yönelik işlemler yapılabilmektedir. Partikül takviyeli kompozitler izotropik kabul edilebildiğinden, izotropik malzemeler için geçerli formüller bunlar için de kullanılabilir. 9

10 Mühendislik Faaliyetleri 2- Yaklaşık çözüm yöntemleri : Teorik hesaplamaların yanısıra kompozitler için geliştirilmiş yaklaşık hesaplama yöntemleri söz konusudur. Bunlardan en çok bilineni ve en yaygın olarak kullanılanı ise sonlu elemanlar yöntemidir. Özellikle teorik hesaplamaların yapılamasının zor olduğu daha kompleks durumlarda sonlu elemanlar yöntemi kullanılır. Bu gün için sonlu elemanlar yöntemi esas alınarak geliştirilmiş paket yazılımlar, kompozit malzemelere özel analizleri de yapabilmektedir. (Ansys, Abaqus, vb.) Bunun yanısıra araştırmacılar tarafından problemlere özel geliştirilmiş sayısal çözüm yöntemlerinden de bahsetmek mümkündür. İyi bir litaratür taraması ile kendi problemimiz için bu sayısal çözümlere ulaşılabilir. 10

11 Mühendislik Faaliyetleri 3- Deneysel Ölçümler: Üretilen yeni bir kompozit malzemenin mekanik veya ısıl özelliklerini tespit edilmesi, Çalışma veya inceleme şartlarında yüklemeler sonucu ortaya çıkan cevapları ( gerilme, sıcaklık, vb.) ölçülmesi, gibi deneysel faaliyetler bir mühendis tarafından yapılabilmeli ve çıkan sonuçlar yorumlanabilmelidir. Deneysel ölçümlerle desteklenmiş sayısal hesaplama sonuçları (teorik veya yaklaşık çözüm yöntemleri ile hesaplamalar), güvenilir ve kaliteli bir çalışma yapıldığının en önemli göstergesidir. Bu sebeple bir mühendis sadece sayısal hesaplamalarla yetinmemeli onu destekleyecek deneysel faaliyetleri de yapabilmelidir. Gerek sayısal gerekse deneysel elde edilen sonuçların doğru kriterlere göre değerlendirilmesi de son derece önem arz etmektedir. 11

12 Mühendislik Faaliyetleri 4- Üretim Yöntemleri Bir mühendisten, yeni tasarlanmış bir kompozitin üretim yöntemlerinden hangisinin daha iyi olacağı hakkında yorum yapabilmesi, üretimi gerçekleşmesi için gerekli makine veya ekipmanları belirleyebilmesi ve üretim faaliyetlerini doğru şekilde yönetebilmesi de beklenir. Bu sebeple bir mühendisin kompozit malzeme bileşen özelliklerini bilmesinin yanısıra, üretim teknolojileriyle ilgili bilgi birikimi ve tecrübesinin olması, işletmesi açısından son derece faydalıdır. Bu ders kapsamında üretim yöntemlerinde özet halinde bahsedilecektir. 12

13 DERS KAPSAMI Bu ders kapsamında, Kompozit Malzemelerin Mekaniğine yönelik olarak; Teoriler ve teorik hesaplama yöntemleri, Sonuçları değerlendirme Kriterleri, Deneysel ölçümler, Bilgisayar Destekli Teorik hesaplama uygulamaları, Sonlu Eleman Uygulama Örnekleri Anlatılacaktır. 13

14 DERS KONULARI: Derste sırasıyla işlenecek konular şu şekildedir: 1-Ders İçeriği (Bu sunum) 2- Genel Bilgiler: Kompozit malzemelerin tanımı, tarihçesi, çeşitleri, sınıflandırılması, genel özellikleri, kullanım alanları,avantaj ve dezavantajları, matris malzemeler, takviye malzemeler 3- İmalat teknolojileri (özet bilgiler) 4- Mukavemette Temel Bilgiler 5- Anizotropik malzemelerin Elastik Davranışları (Anistropic Elasticity) 6- Mekanik Özelliklerin Teorik Hesapları 7- Kompozitten Verim Alma Sınırları 8-Mekanik Özelliklerin Deneysel Tespiti 9-Kompozitlerde Hooke Bağıntıları (Elastik durumda Gerilme-Şekil Değiştirme İlişkileri) 10-Kompozitlerde Akma-Kırılma Teorileri 11-Tabakalı Kompozitlerde Gerilme ve Şekil Değiştirme Hesapları [A, B, D matrisleri] 12- Matlap uygulamaları (11.konu ile ilgili) 13-Ansys Uygulamaları 14

15 DERS KAYNAKLARI 1- Mechanics of Composites Materials, (Ders Kitabıdır, yazarı: Robert M. Jones) 2- Ders Takip sayfası: (Ders Notları, duyurular, kaynaklar ve diğer tüm dökümanlar altta linki verilen sayfadan takip edilecektir.) ( İletişim: Diğer Bazı Kaynaklar: 1- Mechanics of Composites Materials (Autar K. Kaw) 2- Composite Structures- Theory and Practice (Peter Grand, Carl Q. Rousseau) 3- Mechanics and Analysis of Composite Materials (Valery V. Vasiliev & Evgeny V. Morozov) 4-Kompozit Malzeme Mekaniği: 1 nolu Autor K.Kaw ın kitabının çevirisi) (Buket Okutan Baba - Ramazan Karakuzu) 15

16 DERS DEĞERLENDİRME KRİTERLERİ Ders başarısı değerlendirme Kriterleri: 1.Vize (%25) 2.Vize (%25) 1 final + 1 bütünleme (%50) Ödevler: Verilecek ödevlerle bağıl notlara belli oranda eklemeler yapılacaktır. Bu ek puanlar ödevin zorluk derecesine göre değişebilir ve ödevle birlikte ilan edilir. Sınavlar yazılı olarak yapılacaktır. Sınavlarda tanımlar ve problemler sorulabilir. Sınavlarda Hesap makinası serbest olup, bilgisayar kullanmayı gerektiren sorular olmayacaktır. Sınavlarda formüllerin yer aldığı ve öğretim üyesince hazırlanacak standart bir A4 kağidi açık ve serbest olacaktır. Derse Devam Zorunluluğu vardır. Derse % devam edenlerin (en fazla 1 ders gelmeyenlerin) bağıl notuna 5 puan; %85-94 arası devam edenlere (en fazla 2 ders gelmeyenlere) ise 3 puan ekleme yapılacaktır. Derse 6 hafta veya daha fazla gelmeyenler devamsızlıktan kalacaktır. Başkasının yerine imza atan veya attıranlar devamsızlıktan kalacaktır. 16

17 Ders İşleme Şekli: Konular Sunumlar halinde derste anlatılacaktır. Tüm sunumlar ders takip sayfasında yer alacaktır. Öğrenciler, sorumlu oldukları kısımları içeren ders notlarını kitapçık halinde getirmeli ve ders sırasında önemli gördükleri açıklamaları bu notların boş kısımlarına not etmelidir. Yazılı Sınavlarda Sorumlu tutulacak kısımlar: 1 4. konuların önemli kısımlarından, konuların tümünden öğrenciler sorumlu tutulacaktır. Ayrıca ders anlatımı sırasında vurgulanan ancak notlarda yer almayan açıklamalardan da öğrenciler sınavlarda sorumludur. Bu sebeple öğrencilerin derse devam edip, ders notları üzerindeki boşluklara bu gibi açıklamaları not etmeleri gereklidir. Sorumlu tutulan tüm sayfalar tek dosya halinde ders takip sayfasına koyulacaktır. (Öğrencilerin bu dosyayı çoğaltıp derse gelmeleri ve üzerinde ders işlenirken not almaları istenmektedir.) 12 ve 13. konuda anlatılacak olan Bilgisayarla yapılan hesaplamalar ve uygulamalardan öğrenci sınavlarda sorumlu tutulmayacak ve sınavlarda soru sorulmayacaktır. Ancak bağıl nota katkı sağlayacak şekilde dönem sonuna doğru bilgisayarlı çözümlere yönelik ödevler verilebilecektir. 17