ÇAPRAZ OLUKLU VE KESİK PVC KOR İÇEREN DENİZEL SANDVİÇ KOMPOZİTLERİN EĞİLME DAVRANIŞLARININ DENEYSEL VE NÜMERİK OLARAK DEĞERLENDİRİLMESİ

Transkript

1 ÇAPRAZ OLUKLU VE KESİK PVC KOR İÇEREN DENİZEL SANDVİÇ KOMPOZİTLERİN EĞİLME DAVRANIŞLARININ DENEYSEL VE NÜMERİK OLARAK DEĞERLENDİRİLMESİ Fatih Balıkoğlu 1, T.Kerem Demircioğlu 2, Nurettin ARSLAN 3 Balıkesir Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü Balıkesir Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü Celal Bayar Üniversitesi,Hasan Ferdi Turgutlu Teknoloji Fak.,Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü fatih@balikesir.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, yat/tekne imalatında kullanılan denizel sandviç kompozitlerin eğilme davranışları deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Sandviç kompozitlerin alt ve üst tabakalarında takviye elemanı çift yönlü dikişli E-cam elyaf ve keçe, matris olarak ise Bisfenol-A epoksi vinilester reçine kullanılmıştır. Yat/tekne imalatçılarından temin edilen laminasyon planı üretimde uygulanmıştır. Çapraz kesik, çapraz kesikoluklu ve düz PVC köpük, kor malzeme olarak tercih edilmiştir. VARTM (vakum destekli infüzyon tekniği) üretim tekniği ile üretilen sandviç kompozit numunelerin, ASTM C standartına uygun şekilde üç (3) ve dört (4) nokta eğilme testleri yapılmıştır. Eğilme testleri sonucunda kuvvet-deplasman eğrileri ve hasar durumları rapor edilmiştir. Alt/üst tabakaların ve PVC köpük malzemenin statik mekanik test sonuçları, sandviç kompozit yapının sonlu elemanlar modelinde kullanılmıştır. Yapısal olarak farklı PVC köpük içeren denizel sandviç kompozitlerin eğilme yükleri altında elastik davranışları, deneysel bulgular ve sonlu elemanlar analizi ile karşılaştırılmıştır. Deneyler sırasında, kesik ve kesik-çapraz oluklu PVC kor içeren sandviç kompozitlerin eğilme dayanımlarında artış ve kor kesilmesi şeklinde hasar durumları gözlenmiştir. Düz PVC köpük içeren numunelerin testleri ise düşük hasar yüklerinde, fiber kırılması, kor ezilmesi şeklinde farklı hasar durumları ile sonuçlanmıştır Anahtar Kelimeler: Sandviç kompozit, eğilme, PVC, sonlu elemanlar analizi 1. GİRİŞ Sandviç kompozitlerin mekanik davranışlarına yönelik çalışmalar geniş olarak literatürde bulunmaktadır. Çalışmalarda, farklı yoğunluk (ρ), boyut (h: kalınlık) veya çeşit içeren (PVC (Polivinil klorür), PUR (poliüretan), PS (polistren, XPS, EPS) veya balsa) kor malzemelerin sandviç kompozitlerin mekanik davranışlarına etkisi araştırılmıştır. Farklı rijitlik değerlerine sahip laminasyon planlarına sahip ve farklı yoğunlukta kor yapı içeren sandviç kompozitlerin farklı destek mesafelerinde gerçekleştirilen eğilme testlerinde karşılaşılan hasar durumları ve dayanımları örnek çalışmalarda vurgulanmıştır. Dayanım değerlerine etki edebilecek ara yüzey kusurları ve ön darbe etkilerinin statik mukavemet değerlerine etkileri de vurgulanmıştır. Sandviç kompozitlerin, eğilme yükleri altında oluşan hasar durumları da raporlanmıştır [1-8]. Çalışmalar da sandviç kompozitlerin en zayıf bölgesi laminasyon tabaka-kor yapı ara yüzeyi olarak öne çıkmıştır. Sandviç kompozitlerin yük taşıma kabiliyetlerinin artışını sağlamak amacı ile ara yüzeyin güçlendirilmesi gerektiği ortaya çıkmıştır. Nilanja Mitra PVC köpük içeren sahip sandviç kompozitlerin kor modifikasyonları üzerine çalışmalar yürütmüştür [9,10]. PVC kor yüzeyi üzerinde farklı boyut, şekil ve yönlenmeye sahip olukların düzlem içi kayma mukavemetlerine etkisini ASTM C273 sandviç kompozitlerin kayma özelliklerinin belirlenmesi standartına uygun şekilde yaptığı testlerde araştırmıştır. Çalışmalarında shear key olarak tanımladığı yüzeysel oluklarda prepreg cam fiber ve balsa takviyesi kullanmıştır. Prepreg cam takviyeli oluklu kor içeren sandviç kompozitlerde düz ve balsa takviyeli oluklu PVC içeren numunelere göre daha başarılı sonuçlar elde etmiştir. Olukları iki (2) farklı 82

2 geometride, yarım daire ve V şekilli olarak belirlemiştir. Yarım daire şekle sahip oluklarda V şekle sahip oluklara göre daha yüksek kayma mukavemetleri elde etmiştirler. V şekilli olukların uç noktalarında oluşan gerilme yığılmalarının kor malzemede çatlak başlangıcını hızlandırdığını ve hızlı şekilde dayanım düşmesine neden olduğu vurgulanmıştır. PVC kor üzerinde alt ve üst düzlemde açılan olukların merkezlerinin eş doğrusal olmaları durumunda düşük dayanım değerlerine, merkezleri doğrusal olmayan ve çap mesafesi kadar boşluk bırakılan olukların ise dayanım değerlerine olumlu etki ettiği gözlenmiştir. Oluk çap değeri artışı ile kayma mukavemeti değerleri azalmış ve hasar ilerleyişi hızlanmıştir [9]. Mitra N. ve Raja B.R., E cam/epoksi ve PVC kor içeren sandviç kompozitlerde oluk içeren kor yapının ve farklı rijitliğe sahip tabakaların düzlem içi basma mukavemetlerine etkisini çalışmıştırlar [10]. Basma testleri, ASTM C364 standartlarına uygun şekilde yapılmıştır. Oluklu PVC kor malzemeli sandviç kompozitlerin delaminasyon dirençlerinde % 25 iyileşme elde edildiği vurgulanmıştır. Ayrıca, farklı rijitlik değerlerine sahip laminasyonların basma davranışına etkisi çalışılmıştır. Tabaka rijitliği artışı ile maksimum yük değerlerinde ve yapı rijitliğinde artış gözlenmiştir [10]. Mitra N. PVC kor modifikasyonu çalışmalarında yüzeye açılan yarım daire olukların düzlem içi kayma va basma mukavemetlerine etkisini araştırmıştır. A. Mostafa ve arkadaşları, Mitra N. çalışmalarını referans göstererek PVC ve PU köpük içeren sandviç kompozitlerde farklı çap değerlerine sahip olukların düzlem içi kayma mukavemetine etkisini nümerik olarak araştırmıştırlar. Numerik çalışmalarda, ABAQUS programında numuneler ASTM C273 test standartına uygun modellenmiş, yüzeysel oluk çap değerleri 2, 4, 5,8, 11 ve 14 mm olarak belirlenmiştir. Çap değeri artışı ile kayma rijitliği artışı sağlanırken, kayma hasar şekil değiştirme miktarı azalmıştır [11]. A. Mostafa ve arkadaşları, diğer bir çalışmalarında PVC köpük içeren sandviç kompozitlerde kor malzeme üzerinde sabit çap ve mesafeye sahip olukların yönlenmelerinin düzlem içi kayma mukavemetine etkisini nümerik olarak araştırmışlardır. Oluk açıları, ±15, ±30, ±60, ±75 ve 0/90 olarak belirlenmiştir. Nümerik olarak rijitlikleri, hasar kayma mukavemet ve şekil değiştirme değerleri karşılaştırılmıştır. Analizler sonucu tek yönlü ve çift yönlü oluklu PVC köpük ihtiva eden sandviç kompozitlerin hasar kayma mukavemetleri ve elastik rijitlik değerlerinde artış gözlenmiştir. Oluksuz PVC içeren numuneler ise yüksek hasar şekil değiştirmeleri göstermiştir. Çift yönlü oluk içeren numunelerde ise rijitlik değerleri diğer numunelere göre yüksek çıkmıştır. Tek yönlü oluk içeren numuneler yüksek hasar dayanımı göstermiştir. Çift yönlü açılan olukların, PVC köpük kor malzemeyi yapısal olarak zayıflattığı ve yüzeylerde gerilme yığılmalarına neden olduğu belirtilmiştir [12]. A. Mostafa ve arkadaşları sandviç kompozitlerin kayma performanslarını nümerik olarak karşılaştırmıştır. Nümerik sonuçlar, referans olarak oluk içermeyen sandviç kompozit numunelerin test verileri ile kıyaslanmıştır. ABAQUS programında PVC köpük modeli crushable foam ezilebilir köpük olarak modellenmiş, laminasyon ve köpük arasında ise cohesive contact interaction kohezif etkileşim sağlayarak deneysel veriler ve nümerik sonuçların örtüşmesi sağlanmıştır [13]. Hai F. ve arkadaşları, delikli ve oluklu PVC içeren sandviç kompozitlerin eğilme performanslarını araştırmışlar. Farklı destek mesafesi değerlerinde, üç nokta ve dört nokta eğilme testleri yapılmıştır. Üç (3) nokta eğilme testlerinde 150 mm destek mesafesinde kor kırılması, 300 ve 450 mm destek mesafelerinde ise basma yükü nedeni ile fiber kırılması oluşmuştur. Dört (4) nokta eğilme testlerinde ise kor kırılması hasar durumu meydana gelmiştir. Modifikasyona uğramış PVC köpük kor malzemenin basma dayanım ve rijitlik değerlerinde artış sağlanmıştır. Reçinenin doldurduğu olukların ve deliklerin, alt ve üst tabakaların kor yapıya tutunmasını sağladığı ve çivilediği belirtilmiştir [14]. Öne sürdüğümüz çalışmada, tekne/yat gövdelerinde kullanılan, VARTM yönteminin uygulandığı kesik ve oluklu PVC köpük içeren sandviç kompozitlerin eğilme davranışları sergilenmiştir. Kor modifikayonu ile ilgili yapılan çalışmalarda, Nilanja Mitra, shear key metodunda, köpük malzeme üzerine talaşlı imalat ile açılan yüzeysel oluklara, cam elyaf fitil ve reçine ile daha önceden üretilen yarım daire şeklindeki parçaları yerleştirmiş ve sandviç kompozitleri VARTM metodu ile üretmiştir. Nilanja M., shear key yöntemini, sandviç kompozitlerin ara yüzey mukavemet değerlerinin artışını sağlamak amacıyla uygulanan z-iğneleme (z-pinning) ve dikiş (stitching) yöntemlerine alternatif olarak sunmuştur. Z- iğneleme işleminde, kor yapıya kalınlık doğrultusunda ultrasonik olarak fiber takviyeler yerleştirilmekte (ultrasonic insertion technique), dikiş yönteminde ise üst ve alt tabakaların, kor yapı ile dikilmesi sağlanmaktadır. Nilanja M., z iğneleme yönteminin yavaş ve pahalı bir yöntem olduğunu, havacılık sektörü ile kısıtlı kaldığını ve deniz taşıtlarına uygulamanın maliyet açısından uygun düşmeyeceğini 83

3 vurgulamıştır. Dikiş yönteminde, üst ve alt elyafların köpük malzemeye dikilmesi sırasında yük taşıyan fiberlerin aşındığı ve çarpıldığı ve dayanım değerlerinin düştüğü literatürde kaynaklar ileri sürülerek savunulmuştur. İleriye sürdüğümüz çalışmada ise, tekne/yat imalatında kullanılan PVC köpükler infüzyon yönteminde reçinenin ilerlemesini sağlayan kesik ve oluklara sahiptir. İnfüzyon sırasında reçine ile dolan olukların shear key kayma kaması olarak davranması beklenmektedir. Ayrıca diğer yöntemler ile kıyaslandığında VARTM metodu ile tek seferde ve hızlı şekilde geniş sandviç plakaların üretilmesine imkan sağlamaktadır. Sandviç konstrüksiyona sahip deniz taşıtlarının üretiminde çapraz kesik ve oluklu PVC kor kullanılması tercih edilmektedir. 2. MATERYAL VE METOD 2.1. Vakum İnfüzyon ile Sandviç Kompozit Üretimi Sandviç kompozit plakalar laboratuvarda VARTM (vakum destekli infüzyon yöntemi) ile üretilmiştir. Üretim laminasyon planına uygun olarak dikişli E-cam elyaf ve keçe malzemelerin laminasyon planlarına göre kalıp ayırıcı uygulanmış kalıba yerleştirilmesi ile başlar. Kalıp üzerinde vakum ve reçine hatları belirlenir, spiral hortumlar sandviç plaka etrafına yerleştirilir. Reçine hattı spiral hortumlara bağlanır ve vakum hattı ise sandviç plakanın üst yüzeyine yerleştirilir. Böylece reçine sandviç kompozit plakayı alt kısımdan başlayarak vakum hattına ulaşana kadar ıslanmayı sağlayacaktır. Kesik ve oluklu kor içeren sandviç plaka üretiminde akış filesi ve soyma kumaşı kullanılmasına gerek kalmamıştır. Sadece plakanın alt kısmında ıslanmayan bölgeleri engellemek amacıyla akış filesi ve soyma kumaşı çifti kullanılabilir. Sızdırmazlık bandı ile çevrelenen laminasyon son olarak vakum torbasıyla kaplanır. Vakum sırasında yırtılma dolayısıyla kaçak olmasını engellemek amacıyla vakum torbasına bolluk bırakılması gerekmektedir. Vakum infüzyon üretimi sırasında vakum pompası negatif 760 mm hg basınç oluşturulması sağlar. Vakum sağlandıktan sonra reçine hattı kapalı iken vakum torbasında kaçak olup olmadığı kontrol edilir. İnfüzyon tipi vinilester reçine içerisine % 0.2 oranında hızlandırıcı kobalt oktoat eklenir homojen bir şekilde dağılması sağlandıktan sonra, %1-2 oranında sertleştirici MEKP kimyasalı eklenerek reçine hazırlanır ve reçine hattı açılır. Reçine vakum hattına doğru ilerler. Vakum hattına ulaşan reçine kaçış deposuna vardıktan sonra reçine hattı kapatılır ve fazla reçinenin çekilmesi sağlanır. Son olarak vakum hattı ve pompası kapatılır ve plaka kalıpta kürleşmesi için 24 saat açık havada bırakılır. Sandviç kompozit plakalar test numunesi olarak kesilmeden önce iki (2) hafta kadar tamamen kürleşmesi için beklenir. VARTM yönteminin şematik resmi ve uygulaması Şekil 1. de verilmiştir. 84

4 a. VARTM üretimi şematik resmi b. VARTM uygulaması 2.2. Malzeme Özellikleri Şekil 1. Sandviç kompozitlerin VARTM üretim yöntemi ile üretimi Elyaf malzeme olarak iki eksenli dikişli 850 gr/m 2 [0/90]s elyaf, 450 gr/m 2 keçe malzeme kullanılmıştır. VARTM üretimine uygun, Poliya marka Polives 702 infüzyon tipi Bisfenol-A Epoksi vinilester reçine tercih edilmiştir. Reçine içerisinde, başlatıcı olarak ağırlıkça %1-2 wt oranında MEKP (Metiletilketonperoksit), hızlandırıcı olarak ağırlıkça % 0,2-0,5 wt oranında kobalt naftanat kullanılmıştır. Kor malzeme Airex C PVC köpük malzeme kullanılmıştır. Kesik ve oluklu kor malzemelerin ayrıntıları Şekil 2. de verilmiştir. Kor malzeme üzerindeki kesik ve oluklar infüzyon sırasında reçinenin ilerlemesine imkan vermektedir. Akış filesi ve soyma kumaşı kullanılmadan infüzyon işlemi yapılmıştır. Kesik PVC kor malzemelerde kalınlık boyunca oluklar 1,2 mm genişliğine sahiptir (Şekil 2.a). Kesikoluklu PVC kor malzemelerde ise kalınlık boyunca 1,2 mm genişliğinde oluklar ve 1,2 mm genişlik ve 2,5 mm derinliğe sahip yüzeysel oluklar bulunmaktadır (Şekil 2.b). PVC köpük malzemenin fiziksel ve mekanik özellikleri Tablo 1. de verilmiştir. Tablo 1. Airex C PVC köpük fiziksel ve mekanik özellikleri Yoğunluk, kg/m 3 80 Basma Dayanımı,MPa 1.45 Basma Modülü, MPa 104 Çekme Dayanımı, MPa 2 Çekme Modülü,MPa 66 Kayma Dayanımı,MPa 1.2 Kayma Modülü, MPa 30 Kayma Kopma Uzaması % 23 85

5 Şekil 2.a. Çapraz kesik PVC köpük Şekil 2.b. Çapraz kesik ve oluklu PVC köpük Şekil 2. Çapraz kesikli ve kesik-oluklu PVC köpüklerin boyut ayrıntıları Tekne borda kısmına ait laminasyon planı Sekil 3. de verilmiştir. L2, K2 ve S2 olarak isimlendirilen numuneler aynı laminasyon planına sahiptir. Tek farkları yapısal olarak PVC kor malzemelerinin farklılık içermesidir. L2:düz PVC, K2:çapraz kesik PVC ve S2:çapraz kesik ve oluklu PVC içermektedir. a. L2, düz PVC içeren laminasyon planı b. K2, S2, Kesik, kesik-oluklu PVC laminasyon planı Şekil 3. L2, K2 ve S2 sandviç kompozitlerin laminasyon planları 86

6 Tekne bordası dış tarafı 4 mm kalınlığına sahip 2x450 gr/m2 keçe (2x0,5 mm), 4x [0/90]s E-cam elyaf (4x0,75mm) ve iç taraf ise 2,25 mm 3x[0/90]s E-cam elyaf (3x0,75 mm) içermektedir. Test sonuçları, L2, K2 ve S2 olarak isimlendirilmektedir. Tablo 2. de, σç:çekme dayanımı, σb:basma dayanımı,τu:düzlm içi kayma dayanımı, ν 12 :poisson oranı, vf: fiber oranı (%), E 1, E 2 : 1 ve 2 yönünde elastisite modülü, G 12 : kayma modülü mekanik özellikleri verilmiştir. Laminasyonların mekanik özellikleri: çekme testleri ISO 527-4, basma testleri ASTM D 6641 ve kayma testleri ise ASTM D 7078 standartlarına gore en az 5 er numune test edilerek bulunmuştur. Tablo 2. Laminasyon mekanik özellikleri Mek. Öz. 2x450g/m 2 mat, 4x[0/90]s 3x[0/90]s V f E 1 (MPa) E 2 (MPa) G 12 (GPa) ν 12 0,273 0,143 σ ç (MPa), σ b (MPa), τ u, MPa, 53,5 51, Sonlu Elemanlar Analizi ve Modelleme Üst, alt laminasyon ve PVC köpük malzemeden oluşan sandviç kompozit malzeme eleman sayısını azaltmak ve çözüm sürelerini kısaltmak için ¼ çeyrek olarak modellenmiştir. X ve Y yönlerinde simetri koşulu verilmiştir. Numune boyutu 250x80 mm olan sandviç kompozit 125x40 mm boyunda modellenmiştir. 3 (üç) nokta eğilme testlerinde destek mesafesi 200 mm olarak belirlenmiştir. Destek noktalarında, x ve y koordinatları serbest ve z koordinatları ise sabit olmak üzere sınır şartları verilmiştir. Yük uygulama noktasından 500N- 3000N aralığında kuvvetler elastic bölgede analiz yapılacak şekilde uygulanmış, gerilme ve uzama miktarları analiz edilmiş, deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Sandviç kompozitlerin elastik davranışları incelenmiştir. Sonlu elemanlar analizinde sandviç plakada, laminasyon, kor yapıda oluşan normal gerilmeler (σx) ve kayma gerilme (τxz), uzanım (εx), deplasman (δz) değerleri farklı üç kor yapıya sahip sandviç kompozitlerde incelenmiştir. Elastik bölgede σ-ε gerilme-şekil değiştirme grafiklerinde deneysel ve sonlu elemanlar analizi sonuçlarının sapma miktarları hesaplanmıştır. Modelleme sırasında PVC köpük ve reçine lineer elastik ve üst/alt laminasyon ise elastik ortotropik malzeme olarak belirlenmiştir. Düz PVC içeren sandviç kompozit modellerde x ve y yönündeki elemanların uzunlukları 2,5 mm olarak, z yönünde ise PVC köpük 10 eşit elemana bölünerek ayrılmıştır Düz PVC içeren sandviç kompozitler, elemana, düğüm noktasına sahiptir. Kesik ve oluklu PVC içeren modellerde ise eleman, düğüm noktası mevcuttur. Analizler ANSYS paket programında yapılmştır. Mesh200 quadratic hexahedron elemanlar (20 düğüm noktalı brick eleman) kullanılmıştır. Bu eleman Solid185 eleman gibi davranır. (Şeki 4.). Reçine, PVC köpük ve laminasyonlar arasında otomatik kontak yüzeyleri oluşturulmuş, aralarında bonded yapı verilmiş ve kontak bölgelerinde Conta 174 ve Targe170 elemanları kullanılmıştır. Elemanların kalite değerleri oluklu ve kesik PVC (K2, S2) içeren modellerde %77 nin, düz PVC içerenlerde ise (L2) %92 nin üzerindedir. 87

7 a.çapraz Kesikli PVC içeren sandviç kompozit ¼ modeli b. Çapraz kesik PVC modeli b. Laminasyon, çapraz kesik PVC kesiti d.reçine olukları (reçine ile dolmuş oluklar) Figure 4. Çapraz kesik PVC kor içeren sandviç kompozit modeli a. Çapraz kesikli ve oluklu PVC içeren sandviç kompozir ¼ modeli b. Çapraz kesik ve oluklu PVC modeli b. Laminasyon, çapraz kesik ve oluklu PVC kesiti d.reçine olukları (reçine ile dolmuş oluklar) Figure 5. Çapraz kesik ve oluklu PVC kor içeren sandviç kompozit modeli 88

8 2.4. Deneysel Çalışma Sandviç kompozit numunelerin ASTM C393/C393M-11 standartlarına uygun olarak üç (3) ve dört (4) nokta eğilme testleri yapılmıştır [15]. Üç nokta eğilme testleri için destek mesafesi 200 mm, dört nokta eğilme testlerinde ise 350 mm olarak belirlenmiştir (Şekil 6.). Eğilme testleri Zwick Roell 250 kn elektromekanik çekme-basma cihazında 6 mm/dak yükleme hızıyla gerçekleşmiştir. Deplasman değerleri potansiyometrik cetvel ile numune alt, orta noktasında alınmıştır. Aynı laminasyon planına sahip, üç (3) farklı PVC konfigürasyonuna sahip: düz, çapraz kesikli ve çapraz kesikli-oluklu PVC içeren sandviç kompozitlerin eğilme performansları karşılaştırılmıştır. Numuneler simetrik dizilime sahip olmadığı için (unbalanced) eğilme testleri testlerinde, yükleme noktaları 3x[0/90]s (borda içi ) ve 450 gr/m 2 Mat+4x[0/90]s (borda dışı) olarak her iki taraftan gerçekleşmiştir. Testler sırasında numune alt orta noktasından 5 mm uzunluğunda, 120 Ω dirence sahip çift yönlü gerinim pulu ile gerinim ε 1, ε 2 değerleri kaydedilmiştir. Elastik bölgede kaydedilen gerinim değerleri ile tabakalara ait ortotropik malzeme özellikleri kullanılarak deneysel gerilme değerleri hesaplanmıştır. Sonlu elemanlar analiz sonuçları ile kıyaslanarak deneysel ve nümerik değerlerin sapma miktarları raporlanmıştır. Şekil 6. Üç (3) nokta ve dört (4) nokta eğilme testleri 3. BULGULAR VE TARTIŞMA 3.1. Üç (3) Nokta Eğilme Test Sonuçları Sandviç kompozit numunelerin ASTM C393/C393M-11 standartlarına uygun olarak üç (3) nokta eğilme testleri yapılmıştır [15]. Destek mesafesi 200 mm olarak belirlenmiştir. L2, K2 ve S2 numuneleri her iki tarafından, kalın laminasyon (borda dış kısmı) 450 M+4x[0/90]s ve ince laminasyon (borda iç kısmı) 3x[0/90]s tabakalarına eğilme yükü uygulanmıştır. Yükleme sonuçları L2 numunesi için Şekil 7 a.,b., K2 numunesi Şekil 7.c.,d, S2 numunesi Şekil 7.e.,f de verimiştir. Kuvvet-deplasman grafikleri şeklinde verilen sonuçlar A, B, C olarak verilen bölgelere ayrılmıştır. A bölgesi: elastik bölge, B: elastik bölgeden sapma gösteren lineer olmayan plastik bölge, C: hasarın gerçekleştiği son bölgeyi göstermektedir. 89

9 a. L2,3x [0/90] s b. L2, 2x450 M+4x [0/90] s c. K2, 3x [0/90] s d. K2, 2x450 M+4x [0/90] s e. S2, 3x [0/90] s f. S2, 2x450 M+4x[0/90] s Şekil7. Denizel sandviç kompozitlerin üç (3) nokta eğilme test sonuçları (L2: düz PVC, K2: çapraz kesik PVC, S2: çapraz kesik ve oluklu PVC içeren sandviç kompozitler) L2 numunesi eğilme yüklemesi altında davranışları Şekil 7. a ve b de verilmiştir. Yüklemenin 3x[0/90]s ince laminasyon üzerinden yapıldığı durumda fiber kırılması ve kor ezilmesi şeklinde hasar durumu gözlenmiştir. 2x450 M+4x [0/90] s kalın laminasyon tarafından yapılan yüklemelerde ise kor kayma kırılması veya kor ezilmesi hasarları oluşmuştur. L2 numunesinin, 2x450 M+4x [0/90] s laminasyonuna yapılan yüklemelerde ise B bölgesinin düzlük plato genişliğinin ve plastik deformasyon miktarının arttığı gözlenmiştir. 3x[0/90]s laminasyonunda yüklemede ise, B bölgesinde, kor malzemenin ezilmesi sandviç plakanın kalınlık değerlerinin düşüşü sonucu, rijitlik değerleri azalmıştır. Artan lokal basma yükleri laminasyonda fiber kırılmasına neden olmuştur. K2 ve S2 numuneleri ise, daha yüksek yük ve düşük deplasman değerlerinde hasara uğramıştır. Çapraz kesik, çapraz kesik-oluklu PVC içeren numunelerde kor kayma kırılması gözlenmiştir. K2 ve S2 numunelerinde, kor kırılması sonrası görülen yük değerlerinde tekrarlı yükseliş trendi, PVC köpük içerisinde bulunan reçine oluklarının kor içerisindeki çatlak ilerleyişine engel teşkil etmesinden kaynaklanmaktadır. Kor kayma kırılması, çatlağın alt laminasyon ve PVC kor ara yüzeyine ulaşmasına ve delaminasyon şeklinde ayrılmalarına neden olmaktadır. Reçine ile 90

10 dolan kesik ve oluklar sayesinde PVC kor malzemenin basma yükü ve düzlem içi kayma gerilmesi taşıma kabiliyetinin arttığı öngörülmektedir. Düz PVC kor malzeme ise sadece kayma yükü taşımaktadır. Çapraz kesik, çapraz kesik ve oluklu PVC içeren sandviç kompozitlerin üç nokta eğilme testlerinde yük taşıma kapasiteleri yükselmiştir. Sandviç plakaların hasar yükleri, maksimum deplasman ve hasar durumları Tablo 3.ve 4 de ayrıntılı olarak verilmiştir. Klasik sandviç kiriş teorisi ile hesaplanan nümerik hasar yük [1,2] değerleri ve test verileri Tablo 3, 4 de sunulmuştur. a. L2,3x [0/90] s b. L2, 2x450 M+4x [0/90] s c. K2,3x [0/90] s d. K2, 2x450 M+4x [0/90] s e. S2,3x [0/90] s f. S2, 2x450 M+4x [0/90] s Figure 8. Denizel sandviç kompozitlerin dört (4) nokta eğilme test sonuçları (L2: düz PVC, K2:çapraz kesik PVC, S2:çapraz kesik ve oluklu PVC içeren sandviç kompozitler) 91

11 Dört (4) nokta eğilme testleri sonucunda, L2 ve K2 sandviç kompozitlere ait sonuçlara yer verilmiştir. K2 numunesi üç nokta eğilme neticeleri ile aynı sonuçları vermiştir. Dört nokta eğilme testleri sonucunda L2, K2 ve S2 numunelerinde kor kayma kırılması gözlenmiştir. Dört nokta eğilme testi hasar yük değerleri ve deplasman değerleri Tablo 4. de verilmiştir. Klasik sandviç kiriş teoremi ile hesaplanan numerik hasar yük değerlerinin arasında % fark değerlerinin yüksek çıktığı Tablo 3. ve 4. görülmektedir. Sapma miktarlarının yüksek çıkması, yükleme noktasında oluşan lokal basma gerilmeleri, reçine içeren kesik ve oluk içeren PVC kor malzemenin farklı mekanik davranış göstermesinden kaynaklandığı öngörülmektedir. Tablo 3. Üç (3) nokta eğilme testleri hasar yük ve deplasman değerleri (deneysel ve teorik karşılaştırma) Yükleme yönü 3x[0/90] Numune Test Hasar yükü (N) Nümerik hasar yükü (N) % Fark Hasar Deplasman (mm) Hasar modu L ,82 6,099 Kor ezilmesi/ fiber kırılması K ,24 2,462 Kor kayma kırılması S ,94 3,585 Kor kayma kırılması Yükleme yönü 2x450 Mat+4x[0/90] Numune Test Hasar yükü Nümerik hasar yükü % Fark Hasar Deplasman (mm) Hasar modu L ,85 6,409 Kor kayma kırılması K ,63 2,454 Kor kayma kırılması S ,158 Kor kayma kırılması Tablo 4. Dört (4) nokta eğilme testleri hasar yük ve deplasman değerleri (deneysel ve teorik karşılaştırma ) Yükleme yönü 3x[0/90] Numune Test Hasar yükü (N) Nümerik hasar yükü (N) % Fark Hasar Deplasman (mm) Hasar modu L ,41 12,929 Kor kayma kırılması K ,76 3,43 Kor kayma kırılması Yükleme yönü 2x450 Mat+4x[0/90] Numune Test Hasar yükü Nümerik hasar yükü % Fark Hasar Deplasman (mm) Hasar modu L ,98 10,074 Kor kayma kırılması K ,68 4,047 Kor kayma kırılması K2 ve S2 sandviç kompozitlerin elastik bölgede eğilme davranışlarını belirlemek için, testler sırasında numunelerin orta alt noktalarından gerinim pulu ile ölçümler alınmıştır. Gerinim değerleri sonucunda hesaplanan elastik bölgedeki gerilme değerleri, sonlu elemanlar analizi sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Elastik bölgede 3000 N sabit yük değerinde, gerilme, uzanım ve deplasman değerleri Tablo 5. de verilmiştir. Tablo 5. Sandviç kompozitlerin 3000 N eğilme yükü altında, elastik gerilme, uzanım ve deplasman değerleri NUMUNE YÜKLEME σxx lamin. ( FEM) σxx lamin (Deney.) % Fark (σxx lamin.) σxx köpük (FEM) τxz köpük (FEM) εx (elastik uzanım) L2 Uz (mm) deplasman 3x[0/90]s 56,3 61,836-8,953 0,099/-0,732 0,7 0, ,37 2x450M, 4x[0/90]s 50,6 49,025 3,213 0,177/-0,533 0,68 0, ,4 K2 S2 3x[0/90]s 36,343 28,299 28,425 7,687/-15,127 13,56 0, ,163 2x450 M, 4x[0/90]s 39,683 34,303 15,684 8,444/-8,265 13,274 0, ,132 3X[0/90]s 36,609 26,261 39,404 16,341/-22,216 14,621 0, ,129 2x450M, 4x[0/90]s 39,205 34,456 13,783 17,987/-21,553 14,173 0, ,094 Tablo 5. de, K2 ve S2 numunelerinde, reçine olukları içeren PVC kor malzemenin normal ve kayma gerilme değerleri yüksek, tabakada oluşan normal gerilme değerleri ise düşük çıkmıştır. Oluklu PVC kor 92

12 Normal gerilme (MPa) Normal Gerilme (MPa) Normal gerilme (MPa) ULUSLAR ARASI KATILIMLI III. EGE KOMPOZIT MALZEMELER SEMPOZYUMU malzemenin takviyeli bir malzeme gibi davrandığı görülmektedir. L2 numunesinde ise laminasyonlar normal gerilmeleri, kor ise sadece kayma yüklerini taşımaktadır. K2, S2 numuneleri 3000 N statik yük altında, L2 numunesine göre % 50 oranında daha az deplasman değeri göstermiştir. Sandviç kompozit numunelerin elastik bölgede deneysel ve sonlu elemanlar analizi sonuçları Şekil 9 da verilmiştir. L2 sandviç numune K2 sandviç numune Test değerleri yükleme 2x450M,4X[0/90] FEM sonuçları yükleme 2x450M,4x[0/90] Test değerleri yükleme 3x[0/90] FEM sonuçları yükleme 3x[0/90] Test değerleri yükleme 2x450M,4x[0/90] FEM sonuçları yükleme 2x450M,4x[0/90] Test değerleri yükleme 3x[0/90] FEM sonuçları yükleme 3x[0/90] ,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0, ,0005 0,001 0,0015 0,002 Gerinim (ε) Gerinim (ε) a. L2 numunesi b. K2 numunesi S2 sandviç numune Test değerleri yükleme 2x450M,4x[0/90] FEM sonuçları yükleme 2x450M,4x[0/90] Test değerleri yükleme 3x[0/90] FEM sonuçları yükleme 3x[0/90] 0 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 Gerinim (ε) c. S2 numunesi Figure 9. Sandviç kompozitlerin elastik bölgede deneysel ve sonlu elamanlar analiz sonuçları (L2: düz PVC, K2:çapraz kesik PVC, S2:çapraz kesik ve oluklu PVC içeren sandviç kompozitler) Tablo 5. Sandviç kompozitlerin elastik bölgede deneysel ve sonlu elemanlar analzi sonucu hesaplanan rijitlik değerleri Numune Yükleme 3x[0/90]s Yükleme 2x450M,4X[0/90]s E (N/mm 2 ) Deneysel E (N/mm 2 ) FEM % Fark E (N/mm 2 ) Deneysel E (N/mm 2 ) FEM % Fark L , ,5 K , ,98 S , ,68 Tablo 5 de sandviç kompozitlerin elastik bölgede rijitlik değerleri verilmiştir. Yüklemenin 3x[0/90]s (borda içi) laminasyonundan yapıldığı testlerde, deneysel ve sonlu elemanlar analiz sonuçlarında % sapma miktarları K2 ve S2 de %9,7 ve% 17.9 olarak hesaplanmıştır. Yüklemenin 2x450 M,4X[0/90]s (borda dışı) laminasyonun yönünde yapıldığı testlerde ise fark %1 in altına düşmüştür. L2 numunesi sonuçları ise % 3,3 ve % 2,5 değerinde sapma göstermiştir. Sonlu elemanlar analizi sonuçlarının, deneysel veriler ile elastik bölgede örtüşmesi sağlanmıştır. 93

13 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Kesik ve kesik-oluklu PVC kor malzemeler VARTM yöntemine uygun ve deniz taşıtlarının üretiminde tercih edilmektedir. PVC içerisinde bulunan kesik ve oluklar reçine ilerleyişini ve sandviç kompozit malzemenin yat/tekne kalıplarının şeklini almasını sağlamaktadır. Kesik ve oluklu yapı VARTM yönteminde akış filesi ve soyma kumaşı kullanılmadan reçine ilerlemesine imkan vermektedir. Sandviç kompozitlerin laminasyon planı yat/tekne imalatçısı firmadan alınmıştır. Plakalar balans olmayan yapıya sahiptir. Laminasyon planı borda dış kısmı (denize etkisinde olan kısım) 2x450 gr/m2 keçe, 4 kat çift yönlü 850 gr/m 2 [0/90], borda iç kısmı (tekne iç kısmı) 3 kat çift yönlü 850gr/m 2 [0/90] olarak uygulanmıştır. Üç nokta ve dört nokta eğilme testleri her iki laminasyon yönünde yapılmıştır. Eğilme yükü altında kesik PVC kor içeren sandviç kompozitlerin yük taşıma kapasitesi %34, kesik-oluklu PVC içeren sandviç kompozitlerde ise % 100 üzerinde yük taşıma kabiliyetleri artmıştır. Dört nokta eğilme testlerinde hasar yükleri farklılık göstermemiştir. L2 numunesi üç nokta eğilme testlerinde borda iç kısmında, K2 ve S2 numunelerine göre sırasıyla %59,6 ve %41,2 oranında, borda dış kısmında ise %61,7 ve %81,9 oranlarında daha fazla deplasman değerleri göstermiştir. Üç nokta eğilme testleri neticesinde, düz PVC içeren L2 numunesi borda iç kısmından yapılan yüklemelerde kor ezilmesi ve fiber kırılması,borda dış kısmında yapılan yüklemelerde ise kor kayma kırılması gözlenmiştir. Kesik kor ve kesik-oluklu PVC içeren numunelerde ise kor kayma kırılması oluşmuştur. Dört nokta eğilme testlerinde L2, K2 ve S2 numunelerinde kor kayma kırılması gözlenmiştir. Eğilme testlerinde deneysel hasar yükleri ve klasik sandviç kiriş teoremine göre yapılan hesaplamalar kıyaslandığında, deneysel verilerden % sapma miktarları yüksek çıkmıştır. Reçine olukları içeren PVC kor malzemenin farklı mekanik davranış göstermesinden kaynaklandığı öngörülmektedir. PVC köpük takviyeli malzeme olarak davranmaya başlamıştır. Basma ve kayma dayanım değerleri değişmiştir. Sonlu elemanlar analizinde sandviç kompozit, üst ve alt tabakalar lineer ortotropik malzeme, PVC ve reçine ise lineer elastik malzeme olarak modellenmiştir. Deneyler sırasında gerinim pulu ile alınan uzanım değerleri gerilme hesaplamalarında kullanılmıştır. Sonlu elemanlar analizi sonuçları ve deneysel veriler elastik bölge karşılaştırılmıştır. Yüklemenin borda iç kısmında yapıldığı testlerde, deneysel ve sonlu elemanlar analiz sonuçlarında % sapma miktarları K2 ve S2 de %9,7 ve% 17.9 olarak hesaplanmıştır. Yüklemenin borda dış kısmında yönünde yapıldığı testlerde ise fark %1 in altına düşmüştür. L2 numunesi sonuçları ise % 3,3 ve % 2,5 değerinde sapma göstermiştir. Borda iç kısmından yapılan testlerde % sapma miktarlarının lokal basma yüklerinden ve balans olmayan (farklı kalınlıkta ve mekanik değerlere sahip üst/alt laminasyonlar) yapıdan kaynaklandığı ortaya çıkmaktadır. Sonlu elemanlar analizi sonuçlarında reçine olukları içeren PVC yapının takviyeli eleman gibi davrandığı ortaya çıkmıştır. Normal gerilme iletmeyen ve düşük kayma yükü taşıyan düz PVC köpükten farklı olarak, reçine takviyeli PVC kor malzemede normal (σxx) gerilme ve düzlem içi kayma gerilme (τxz) değerleri yüksek çıkmıştır. 94

14 5. KAYNAKLAR [1] Steeves RA., Fleck NA. Collapse mechanisms of sandwich beams with composite faces and a foam core, loaded in three-point bending. Part I: analytical models and minimum weight design. International Journal of Mechanical Sciences 2004; 46 (4): [2] Steeves RA., Fleck NA. Collapse mechanisms of sandwich beams with composite faces and a foam core, loaded in three-point bending. Part II: experimental investigation and numerical modelling. International Journal of Mechanical Sciences 2004; 46 (4): [3] Russo A., Zuccarello B. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behaviour of GFRP sandwich panels. Composite Structures 2007; 81(4): [4] Umer R., Waggy EM., Haq M., Loos AC. Experimental and numerical characterizations of flexural behavior of VARTM-infused composite sandwich structures. Journal of Reinforced Plastics and Composites 2012; 31 (2): [5] Manalo AC., Aravinthan T. Karunasena W., Islam MM. Flexural behaviour of structural fibre composite sandwich beams in flatwise and edgewise positions. Composite Structures 2010; 92, (4): [6] Di Bella G., Calabrese L. Borsellino C. Mechanical characterisation of a glass/polyester sandwich structure for marine applications. Materials & Design 2012; 42: [7] Mouritz AP., Thomson RS. Compression, flexure and shear properties of a sandwich composite containing defects. Composite Structures, 1999; 44 (4): [8] Dai J., Thomas H. Flexural behavior of sandwich beams fabricated by vacuum-assisted resin transfer molding. Composite Structures 2003; 61(3): [9] Mitra N, A methodology for improving shear performance of marine grade sandwich composites: Sandwich composite panel with shear key. Composite Structures 2010; 92: [10] Mitra N.,Raja B.R., Improving delamination resistance capacity of sandwich composite columns with initial face/core debond. Composites: Part B 2012; 43: [11] Mostafa A.,Shankar K., Morozov E.V., Effect of shear keys diameter on the shear performance of composite sandwich panel with PVC and PU foam core: FE study. Composite Structures 2013; 102: [12] Mostafa A.,Shankar K., Morozov E.V., Influence of shear keys orientation on the shear performance of composite sandwich panel with PVC foam cor: Numerical study. Materials and Design 2013;51: [13] Mostafa A.,Shankar K., Morozov E.V., Insight into the shear behaviour of composite sandwich panels with foam core. Materials and Design 2013;50: [14] Hai F., Weiqing L.,Weidong L.,Li W., Flexural properties of grooved perforation sandwich composites, Journal of Wuhan University of Technology, Mater. Sci. Ed. 2010; 25(4): [15] ASTM C Standard test method for flexural properties of sandwich constructions Race St., Philadelphia, PA