Kompozit Yama Ġle Tamir EdilmiĢ Tabakalı Kompozit Levhalarda Ġlerlemeli Hasar Analizi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS ), 6-8 May 0, Elazığ, Turkey Kompozit Yama Ġle Tamir EdilmiĢ Taakalı Kompozit Levhalarda Ġlerlemeli Hasar Analizi K. Turan ve M.O.Kaman Dicle Üniversitesi, Diyarakır/Türkiye, Fırat Üniversitesi, Elazığ/ Türkiye, Progressive Failure Analysis Of Laminated Composite Plates Repaired With Composite Patch Astract In this study, failure analysis of open hole composite plate repaired external patch is investigated y using ANSYS. finite element software. A su computer program is improved with 3D APDL (ANSYS Parametric Design Language) codes and failure ehaviors of repaired composite plate are predicted as numerically. To verify su computer program the numerical results are compared with experimental results of reference and good agreement is otained at solutions. The failure loads and failure modes of composite plate, patch and adhesive layer are otained for variation of adhesive layer thickness and fier reinforced angle of composite patch variation. The results are showed that failure modes of composite plates are varied with fier reinforced angle of composite patch also the failure loads is increased with increasing adhesive layer thickness. Keywords Progressive failure analysis, finite element method, composite materials, adhesive. D I. GĠRĠġ üģük maliyeti, hafifliği ve ağlantı parçasına zarar vermemesi nedeni ile yapıģtırma ağlantıları kompozit levhaların irleģtirilmesinde ve tamirinde sıklıkla kullanılmaktadır. Hareketsiz ir ağlantı türü olması nedeni ile hava ve uzay araçlarında kullanılan u ağlantının en önemli avantajı ağlantı yapılacak olan parçalara mekanik ağlantılarda olduğu gii delik açmak zorunluluğu olmamasıdır. Kompozit levhaya açılan deliklerin gerilme yığılmalarına, delik çevresine zarar verme ve geometrinin deliğin göz önüne alınarak sınırlandırılması gerekliliği gii dezavantajları vardır. Hava taģıtlarında kullanılan dıģ ölümlerdeki kompozit plakaların dıģ etmenlerle tahrip edildiği durumlarda kompozit plakaların tamiri yapıģma ağlantıları ve kompozit yamalar kullanılarak yapılmaktadır. Parça yüzeyinin geometrik yapısını ozmadan kolayca uygulanailen u ağlantı türünde tamirat aracın dıģ görünüģüne ve aerodinamik yapısına zarar vermeden gerçekleģtirileilmektedir. Hava araçlarında kompozit malzemelerin kullanımından u yana irçok tamir metotları uygulanmıģ olmakla irlikte yapıģtırıcı kullanılarak yapılan tamiratlar unların içinden en aģarılı olanlardır []. Bu alanda irçok araģtırmacı farklı hasar durumları için yapıģtırıcı ağlantısı ile uygulanan yöntemleri incelemiģlerdir. Liu ve Wang [], kompozit ir levhanın yapıģtırıldığı üzerinde dairesel delik ulunan ir kompozit levhada hasar analizi yapmıģlardır. ANSYS. sonlu elemanlar programını kullanarak yapmıģ oldukları sayısal çalıģmada ilerlemeli hasar analizi metodunu kullanmıģlardır. Sayısal hasar yüklerinin tespitinde kompozit levha için Tsai Wu ve Ye teorilerini kullanırken yapıģtırıcının hasar kontrolünde ise Maksimum Kayma Gerilmesi hasar teorisini kullanmıģlardır. Oudad vd. [], hava taģıtlarının metalik parçalarında meydana gelen çatlakların kompozit yama kullanılarak tamir edilmesinin plastik gerilme analizi ve plastik ölgenin yayılması üzerine etkilerini deneysel ve sayısal yöntemler kullanılarak araģtırmıģtır. Alüminyum (T3) plaka üzerindeki çatlakların oron/epoksi kompozit yama ile tamir edilmesi için ir film yapıģtırıcı (FM 73) kullanılmıģtır. Tai vd. [3], epoksi reçine kullanılarak iririne ağlanmıģ olan cam fier/epoksi kompozit levhalarda hasar yüklerini deneysel olarak araģtırmıģlardır. ÇalıĢmalarında farklı ağlantı Ģekilleri, yapıģtırıcı kalınlığı ve levha mukavemetinin değiģimi için hasar yüklerinin ve tipinin değiģimini incelemiģlerdir. Yarrington vd. [4], farklı yapıģma ağlantısı türleri için hasar analizini deneysel ve sayısal yöntemler kullanarak yapmıģlardır. Her ir ağlantı türü için farklı hasar kriterlerinin kullanıldığı çalıģmalarında, sayısal ve deneysel hasar yüklerinin iririne yaklaģım oranı 0.77 ile 0.95 oranında elde edilmiģtir. Bouiadjra vd. [5], yama ve yapıģtırıcı kullanılarak tamir edilmiģ Alüminyum ir levhada gerilme Ģiddet faktörünü sonlu elemanlar metodu kullanarak hesaplamıģtır. Gerilme Ģiddet faktörünün yama kalınlığı, yama üyüklüğü, yapıģtırıcının kalınlığı ve yapıģtırıcının kayma modülünün değiģimine göre hesaplanmıģtır. Ayrıca yama kullanılmadığı durum ve açısal ir çatlak olması durumunda gerilme Ģiddet faktörünün nasıl değiģeceği de grafikler halinde sunulmuģtur. Toudeshky vd. [6], ortasında çatlak ulunan ir Alüminyum levhanın kompozit malzeme kullanılarak tamir edilmesi durumunda çatlak açılması ve ilerlemesini deneysel ve sayısal yöntemler kullanılarak araģtırmıģtır. Toudeshky ve Mohammadi [7], ince ir Alüminyum levhada ulunan çatlağın 65

2 K.Turan, M.O.Kaman cam/epoksi kompozit malzeme ile tamirinin yorulma ömrü üzerine etkileri deneysel ve sayısal yöntemlerle araģtırılmıģtır. Campilho vd. [8], sayısal yöntemler kullanarak tek ve çift tesirli yapıģma ağlantılarının mukavemeti üzerine yama geometrisinin, yama kalınlığının ve yama fier takviye açısının etkilerini araģtırmıģtır. Campilho vd. [9], tek ve çift tesirli yapıģma ağlantılarında geometrik değiģkenlerin artık gerilmeler üzerine etkilerini iki oyutlu sonlu elemanlar modeli ile araģtırmıģtır. Daha önceki deneysel çalıģmadan elde edilen deneysel sonuçlarla sayısal sonuçlar karģılaģtırılmıģtır. Sonuçta doğru ir ağlantı geometrisinin sağlanması halinde tek tesirli yapıģma ağlantılarında % 7 ve çift tesirli yapıģma ağlantılarında ise % dayanım artıģı olaileceği ön görülmüģtür. AtaĢ vd. [0] yapıģtırıcı kullanılarak tamir edilmiģ ve tamir edilmemiģ kompozit plakalarda çarpma etkisi ile meydana gelen hasarı deneysel yöntemler kullanarak incelemiģlerdir. Bu çalıģmada ortasında dairesel delik ulunan kompozit levha, kare Ģeklindeki kompozit ir yama ile yapıģtırıcı kullanılarak tamir edilmiģ ve u prolem için sonlu elemanlar metodu ile sayısal hasar analizi yapılmıģtır. Sayısal analiz, APDL (Parametric Design Language) kodlarını kullanılarak geliģtirilen ir alt program sayesinde ANSYS. sonlu eleman programında gerçekleģtirilmiģtir. Sayısal çözümde yapıģtırıcı kalınlığının ve yama fier takviye açısı değiģiminin levha hasar yükleri üzerine olan etkileri elde edilmiģtir. Altprogramda ilerlemeli hasar analizi metodu kullanılırken kompozit malzemede hasar yüklerinin ve hasar tipinin tespitinde Hashin Hasar Kriteri malzeme indirgeme kuralları ile irlikte uygulanmıģtır. Sayısal çalıģma sonuçları talo ve grafikler halinde sunulmuģtur. II. PROBLEMĠN TANIMI Bu çalıģmada ġekil de görülen karon fier takviyeli epoksi matriks reçineden oluģan kompozit levha kullanılmıģtır. 60x00x.88 mm oyutlarındaki levhanın ortasına 30 mm çapında ir delik açılmıģ ve u deliğin tamiri için 00x00 mm oyutlarında ve 0.35 mm kalınlığında kompozit yama yine aynı oyutlarda 0. mm kalınlığındaki film yapıģtırıcı kullanılmıģtır. Kompozit levha [(0/90/±45/90/0) ] s ve kompozit yama [θ/-θ] taaka dizilimine sahiptir []. Kompozit levha ve kompozit yama aynı mekanik özelliklere sahiptir. Kompozit levha, kompozit yama ve film yapıģtırıcının mekanik özellikleri Talo de verilmiģtir. Talo : Malzemelerin mekanik özellikleri []. Malzeme Kompozit YapıĢtırıcı (T300/QY89) (J 59) E (MPa) E, E 3 (MPa) υ, υ 3 (-) υ 3 (-) G, G 3 (MPa) G 3 (MPa) X t (MPa) 548 Y t (MPa) 6 X c (MPa) 55 Y c (MPa) 8 S (MPa) z y ġekil : Tamir edilen kompozit plakanın geometrisi. III. SAYISAL HASAR ANALĠZĠ Sayısal hasar analizi için yazılmıģ olan alt program üç ölümden oluģmaktadır. Sonlu eleman modelinin oluģturulması, gerilme analizi ve hasar analizi. III.I. SONLU ELEMAN MODELĠ Prolemin sonlu eleman modeli ANSYS. sonlu elemanlar programında yapılmıģtır. APDL kodları kullanılarak geliģtirilmiģ olan alt program ile modelleme ve çözüm yapılmaktadır. Prolemin sonlu elemanlara ölünmesinde kompozit plaka ve kompozit yama için ANSYS. program reherinde taakalı kompozit malzemeler için tanımlanmıģ olan Solid46 eleman tipi kullanılmıģtır []. Film yapıģtırıcı içinse Solid46 ile uyumlu çalıģması açısından aynı eleman özelliklerine sahip fakat izotrop malzeme için tanımlanmıģ olan Solid45 eleman tipi kullanılmıģtır. Prolemin çözümünde simetri özelliğinden dolayı plakanın üst yarısı alınmıģ ve modellenmiģtir. Çözümde diğer yarının var olduğunu programa tanımlamak içinse kesilen ölüme simetri sınır Ģartı uygulanmıģtır. Sonlu elemanlar modeli ve model detayları ġekil de görülmektedir. Sayısal çözümlemede sınır Ģartı olarak, modelin sol tarafındaki serest ucuna x-, y- ve z- doğrultularında ankastre olacak Ģekilde mesnet uygulanmıģtır. Sağ taraftaki serest ucuna ise düzgün yayılı çekme yükü uygulanmıģtır. ANSYS. programı kullanılarak gerilme analizi yapılmıģ ve her ir elemanda meydana gelen gerilmeler tespit edilmiģtir. θ x 66

3 Kompozit Yama İle Tamir Edilmiş Taakalı Kompozit Levhalarda İlerlemeli Hasar Analizi III.II. ĠLERLEMELĠ HASAR ANALĠZĠ Programın u ölümünde, her ir eleman için elde edilmiģ olan üç oyutlu gerilme değerleri kullanılarak hasar kontrolü yapılmaktadır. Hasar kontrolü yapılırken ġekil 3 te verilen akıģ Ģemasında yer alan asamaklar takip edilmektedir. ġekil : Kompozit plakanın sonlu eleman modeli. BaĢla Sonlu Eleman Gerilme Analizi esi Malzeme Öz. Ġndirgenmesi Yük ArtıĢı Hasar Analizi Hayır Yıkıcı Hasar Kontrolü Evet Dur Hayır Hasar Kontrolü Evet ġekil 3: Ġlerlemeli hasar analizi akıģ diyagramı []. DüĢük ir değerde yükleme yapılarak gerilme analizi aģlatılır ve gerilmeler elde edilir. Kompozit plaka ve kompozit yama için her ir elemana ait gerilme değerlerinin Talo 3 de yer alan Hashin Hasar Kriterine ait ağıntılarda yerlerine yazılması ve film yapıģtırıcı içinse Talo deki ağıntılarda yerlerine yazılması ile yapılan hasar kontrolü sonucunda yıkıcı hasar elde edilene kadar döngü tekrarlanır ve yıkıcı hasarın elde edilmesi ile program sonlandırılır. Yıkıcı hasar; malzeme özellikleri indirgenmiģ sonlu elemanların kompozit levha kenarına ulaģması olarak tanımlanır. Herhangi ir elemanda hasar durumunun ortaya çıkması ile hangi tipte hasar meydana gelmiģ ise elemanın malzeme özellikleri taloda elirtilen Ģekilde indirgenerek eleman özelliklerinin zayıflaması sağlanır. Eleman özelliklerinin değiģtirilmesi ile ANSYS. programının özellikleri kullanılarak hasarlı elemana yeni malzeme özellikleri atanır. Programın sonunda değiģtirilmiģ malzeme özellikleri ile oluģturulan ağ yapısının resmi kaydedilerek program devam ettirilir. 67

4 K.Turan, M.O.Kaman Talo : Maksimum Kayma Gerilmesi teorisi ve yapıģtırıcı malzeme özelliklerinin indirgenmesi kuralı []. Hasar kriteri ağıntısı Ġndirgeme kuralı Renklendirme a 3a S E x 0-5 * a, 3a : Sırasıyla ve 3 yönlerindeki asal gerilmeler. Talo 3: Hashin Hasar Kriteri ve taakalı kompozit levha ve yama malzeme özelliklerinin indirgenmesi kuralı []. Hasar tipi Hasar Ģartı Hasar kriteri ağıntısı Ġndirgeme kuralı Renklendirme Fier çekme Fier asma Matriks çekme Matriks asma Fier matriks kayma Delaminasyon çekme Delaminasyon asma >0 <0 >0 <0 <0 >0 <0 3 E, E, E 3, υ, υ 3, υ 3, X ç Y ç Y X Y τ S X τ S G, G 3, G 3 x 0-5 E, E, E 3, υ, υ 3, υ 3, G, G 3, G 3 x 0-5 τ S τ S τ S τ S 3 τ S 3 τ S ç τ S τ S E, υ x 0-5 E, υ x 0-5 G, υ x0-5 E 3, υ 3, υ 3, G 3, G 3 x 0-5 Y E 3, υ 3, υ 3, G 3, G 3 x 0-5 τ S τ S Program sonunda kaydedilen görüntüden hasar aģlangıcı, hasar ilerlemesi ve son hasar yüküne ulaģılması ve o andaki yük değerleri takip edilmektedir. ġekil 4 te [5/-5] taaka dizilimine sahip kompozit yamada, kompozit plakada ve film yapıģtırıcıda hasar aģlangıcı, hasar ilerlemesi ve son hasar yüküne ulaģılması görülmektedir. IV. SONUÇLAR Kompozit plakaların kompozit yama ile film yapıģtırıcı kullanılarak tamir edilmesi için APDL kodları kullanılarak geliģtirilmiģ olan alt programın doğruluğunun test edilmesi için program öncelikle Referans [] de yer alan çalıģmada elde edilen deneysel çalıģma sonuçlarından azıları ile karģılaģtırılmıģtır. Çözümü yapılan levha oyutları ġekil 5 de, malzeme özellikleri ise Talo de verilmiģtir. Kompozit yama [0 /±45/90 ] 00 mm 60 mm 30 mm YapıĢtırıcı kalınlığı. mm.88 mm ġekil 5:Referans [] deki çalıģmada kullanılan levha oyutları. 68

5 Hasar Yükü (N) Hasar Yükü (N) 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS ), 6-8 May 0, Elazığ, Turkey Kompozit plaka Kompozit yama Film yapıģtırıcı Hasar aģlangıcı yükü: N Hasar aģlangıcı yükü: N Hasar aģlangıcı yükü: N Yük: N Yük: N Yük: N Son hasar yükü: N Son hasar yükü: N Son hasar yükü: N Kompozit için hasar yok YapıĢtırıcıda kayma hasarı Fier çekme hasarı YapıĢtırıcı için hasar yok Matriks çekme hasarı Delaminasyon çekme hasarı ġekil 4: [5/-5] Kompozit yama ile tamir edilen kompozit levha için hasar aģlangıcı ve hasar ilerlemesi. Kompozit yamanın taaka sayısı değiģiminin incelendiği karģılaģtırma çalıģmasında elde edilen sonuçlar oldukça uyumludur ve ġekil 6 da gösterilmiģtir Sunulan Sayısal Ref. [] Deneysel Ref. [] Sayısal ,35 0,7 0,875 Kompozit Yama Kalınlığı (mm) ġekil 6: Referans [] de yer alan çalıģma ile geliģtirilmiģ olan programdan elde edilen sonuçların karģılaģtırılması [0/0] [5/-5] [30/-30] [45/-45] Kompozit Yama Taaka Dizilimi ġekil 7: Hasar yükleri üzerine kompozit yama fier takviye açısı değiģiminin etkisi. ġekil 7 den görüldüğü üzere [(0/90/±45/90/0) ] s taaka dizilimine sahip levha için yapılan incelemede, en yüksek 69

6 Hasar Yükü (N) K.Turan, M.O.Kaman hasar yükü değeri [0/0] kompozit yama için N olarak elde edilmiģtir. En düģük hasar yükü değeri ise [45/-45] kompozit yama için N olarak elde edilmiģtir. Kompozit plaka ve kompozit yama tek yönde takviye edilmiģ fierlerden oluģtuğu için fier takviye açısı θ=0 o den uzaklaģtıkça mukavemeti azalmaktadır. Fier takviye açısının θ=30 o ve 45 o için değerler irirlerine yakındır. IV.II. FĠLM YAPIġTIRICI KALINLIĞININ HASAR YÜKÜ ÜZERĠNE ETKĠSĠ Film yapıģtırıcı kompozit levha ile yama arasında yük transferini sağlayarak tamiratın amacına ulaģması açısından önemli ir araçtır. Özellikle film Ģeklinde yapıģtırıcı kullanılmasının amacı yamanın levha üzerine yapıģtırılırken levha yüzeyine ideal ir Ģekilde uymasını ve tüm yüzeyde eģit yapıģtırıcı kalınlığını sağlamaktır. YapıĢtırıcı kalınlığının hasar yükü üzerine olan etkileri ġekil 8 de görülmektedir. Bu grafik [(0/90/±45/90/0) ] s taaka dizilimine sahip levha için [45/-45] kompozit yama yapıģtırılması durumu için elde edilmiģtir. ġekil 8 de görüldüğü üzere film yapıģtırıcı kalınlığının artmasına ağlı olarak hasar yükü artmaktadır. Film yapıģtırıcı kalınlığının 0. mm değerinde iki katına çıktığı 0.4 mm değerine kadar artmıģ fakat daha sonraki değerler için fazla ir artma olmamıģtır. Bu durum yapıģtırıcı kalınlığının artmasının mukavemet üzerine sürekli ir etkisinin olmadığını göstermektedir. En düģük hasar yükü 0. mm film yapıģtırıcı kalınlığı için N olarak elde edilirken, en yüksek hasar yükü ise 0.48 mm film yapıģtırıcı kalınlığı için N olarak elde edilmiģtir , 0,4 0,36 0,48 Film YapıĢtırıcı Kalınlığı (mm) ġekil 8: Film yapıģtırıcı kalınlığının hasar yükü üzerine etkileri. V. TARTIġMA YapıĢtırma ağlantısı ile tamir edilmiģ kompozit plakalar için hasar analizi [(0/90/±45/90/0) ] s taaka dizilimine sahip kompozit plakada, farklı kompozit yama takviye açıları ve film yapıģtırıcı kalınlıkları için araģtırılmıģtır. Hasar yüklerinin tespit edildiği u çalıģmada aģağıda sıralanmıģ olan durumlar gözlemlenmiģtir. Bütün yapıģtırıcı kalınlığı ve kompozit yama taaka diziliminde yıkıcı hasar olarak kompozit levhada fier çekme hasarı meydana gelmiģtir. Analizi yapılan tüm oyut konfigürasyonlarında hasar öncelikle yapıģtırıcıda, daha sonra kompozit yamada en son ise kompozit levhada meydana gelmiģtir. Tamir edilmiģ kompozit levhada kompozit yama fier takviye açısının değiģimi hasar yüklerini arttırmaktadır. Film yapıģtırıcı kalınlığının 0.4 mm den sonra hasar yükü üzerine doğrudan etkisi ulunmamaktadır. Kompozit yama kalınlığının artması hasar yüklerini arttırmaktadır. Bu durum daha önceden yapılan literatür çalıģmaları ile de doğrulanmıģtır. Hashin Hasar Kriterinin yapıģtırıcı ile tamir edilmiģ kompozitlerde hasar tahmini için uygulanailir olduğu görülmüģtür. REFERANSLAR [] Liu X., Guoping W., Progressive failure analysis of onded composite repairs, Composite Structures, Vol. 8, pp , 007. [] Oudad W., Bouiadjra B.B., Belhouari M., Touzain S., Feaugas X., Analysis of the plastic zone size ahead of repaired cracks with onded composite patch of metallic aircraft structures, Computational Materials Science, Vol. 46,pp , 009. [3] Tai A.A., Boukhili R., Achiou S., Gordon S., Boukehili H., Bonded joints with composite adherents. Part I. Effect of specimen configuration, adhesive thickness, spew fillet and adherent stiffness on fracture, International Journal of Adhesion & Adhesives, Vol. 6, pp. 6 36, 006. [4] Yarrington P., Zhang J., Collier C., Bednarcyk B.A. Failure analysis of adhesively onded composite joints, American Institute of Aeronauties and Astronautics, pp. -3, Vol [5] B. Bachir Bouiadjra B.B., Belhouari M., Serier B. Computation of the stress intensity factors for repaired cracks with onded composite patch in mode I and mixed mode, Composite Structures, Vol. 56, pp , 005. [6] Toudeshky H.H., Saer M., Mohammadi B., Finite element crack propagation of adhesively onded repaired panels in general mixedmode conditions, Finite Elements in Analysis and Design, Vol. 45, pp , 009. [7] Toudeshky H.H., Mohammadi B., Mixed-mode numerical and experimental fatigue crack growth analyses of thick aluminum panels repaired with composite patches,, Composite Structures, Vol.9, pp. 8, 009. [8] Campilho R.D.S.G., Moura M.F.S.F., Domingues J.J.M.S., Modelling single and doule-lap repairs on composite materials, Composites Science and Technology, Vol. 65, pp , 005. [9] Campilho R.D.S.G., Moura M.F.S.F., Domingues J.J.M.S., Numerical prediction on the tensile residual strength of repaired CFRP under different geometric changes, International Journal of Adhesion & Adhesives, Vol.9, pp , 009. [0] Atas C., Akgun Y., Dagdelen O., Icten B.M., Sarikanat M., An experimental investigation on the low velocity impact response of composite plates repaired y VARIM and hand lay-up processes, Composite Structures, Vol. 93, pp , 0. [] ANSYS. Academic Teaching Introductory Help Menu. [] Hashin Z., Failure Criteria for Unidirectional Fire Composites, Journal of Applied Mechanics, Vol. 47 pp ,