Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 8, No: 2, 2011 (1-12) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 8, No: 2, 2011 (1-12) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale (Article) Karma Bağlantı Uygulanmış Farklı Metal Plakalarda Meydana Gelen Gerilmelerin İncelenmesi Kemal ALDAŞ, Faruk ŞEN Aksaray Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü 68100 Aksaray Türkiye faruk.sen@deu.edu.tr Geliş Tarihi: 08.11.2010 Kabul Tarihi: 28.03.2011 Özet Bu çalışmada, karma bağlantı uygulanmış farklı metal plakalarda meydana gelen gerilmeler incelenmiştir. Karma bağlantı, pim bağlantısı ve yapıştırıcı bağlantısından meydana getirilmiştir. Bağlantısı yapılan alt levha alüminyum olarak sabit tutulurken, üst levha sırasıyla çelik, bakır, titanyum ve alüminyum olarak modellenmiştir. Yapıştırıcı olarak epoksi kullanılmıştır. Çözümde, üç boyutlu modeller oluşturularak, sonlu elemanlar metodu kullanılmıştır. Daha önceki birçok çalışmada, sadece yapıştırıcı bağlantıları veya pim bağlantıları incelenmiş olmakla birlikte, bu çalışmada her iki bağlantının birlikte kullanıldığı karma bir bağlantı analiz edilmiştir. Karma bağlantıya, çekme yükü ve 40 o C uniform sıcaklık yükleri birlikte uygulanmıştır. Alüminyum-alüminyum karma bağlantılarda meydana gelen gerilmeler en düşük değerlerde meydana gelirken, en yüksek gerilmelerin alüminyum-çelik karma bağlantılarda meydana geldiği görülmüştür. Bir başka ifadeyle, aynı malzemeden yapılan benzer plakalardan meydana gelen karma bağlantılar, daha düşük gerilmelere neden olmuştur. Anahtar Kelimeler: Yapıştırıcı Bağlantısı, Pim Bağlantısı, Karma Bağlantı, Gerilme Analizi, FEM Investigation of Stresses on Dissimilar Metal Sheets Applied Hybrid Joints Abstract In this study, the stresses occurred on metal plates which is applied hybrid joints were investigated. Hybrid joint was designed from both pinned joint and adhesively bonded joint. The joined lower adherent material was selected as aluminum constantly, whereas joined upper adherent materials were modeled as steel, copper, titanium and aluminum. The epoxy was used as adhesive. In solution, the finite element method (FEM) was used via creating three dimensional models. In many previous studies, adhesive joints or pinned joints were only investigated, but in this study a hybrid joint based on both pinned joint and adhesively bonded joint were analyzed. Tensile load and uniform temperature loading as 40 o C were applied with together on hybrid joint. The higher stresses were observed on aluminum-steel hybrid joint, while the lower values of stresses were obtained aluminum-aluminum hybrid joint. In other words, similar sheets made same material caused the lower stresses on the hybrid joint. Keywords : Adhesive Joint, Pinned Joint, Hybrid Joint, Stress Analysis, FEM 1. GĐRĐŞ Bugünlerde yapılan konstrüksiyonlar, iş verimi ve emniyetini daha üst seviyelere çıkarmaya, kullanılan elemanların boyutları ve ağırlıklarını azaltmaya, bununla birlikte malzeme ve imalat giderlerini azaltmayı hedeflemektedir. Bundan dolayı, birleştirme usulleri, sürekli olarak yeni problemlerle karşı karşıya kalmaktadır [1-2]. Ortaya çıkan bu isteklerden dolayı, maliyeti düşük ve emniyetli bir yapıştırıcı Bu makaleye atıf yapmak için Aldaş K., Şen F., Karma Bağlantı Uygulanmış Farklı Metal Plakalarda Meydana Gelen Gerilmelerin Đncelenmesi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2011, 8(2) 1-12 How to cite this article Özçelik B., Kuram E., Sert A., Investigation of Stresses on Dissimilar Metal Sheets Applied Hybrid Joints Electronic Journal of Machine Technologies, 2011, 8(2) 1-12
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 Karma Bağlantı Uygulanmış Farklı Metal Plakalarda Meydana bağlantısı tasarımı oldukça önem kazanmaktadır [3]. Yapıştırıcı bağlantılarında kullanılan yapıştırıcının ve yapıştırılan malzemelerin farklı mekanik ve termal özelliklerinden dolayı yüksek gerilmeler ve bağlantı üzerindeki bazı bölgelerde gerilme yığılmaların oluştuğu bilinmektedir [4]. Birçok uygulamada, yapıştırıcı bağlantılarının sadece mekanik yüklemeler altında değil, bununla birlikte ısıl yüklere de maruz kaldığı anlaşılmıştır. Bu yüklemeler sonucunda malzeme bağlantı üzerinde oluşan gerilmeler, aynı zamanda şekil değiştirmeler meydana getirmektedir [4]. Bir örnek vermek gerekirse, süpersonik bir hava taşıtında kullanılan yapıştırıcı bağlantısının, taşıtın uçma esnasındaki rakım değişimlerinden kaynaklanan ve genellikle -55 o C ile 200 o C arasında değişen veya daha fazla miktarda oluşan sıcaklık değişimlerine dayanmasının arzu edilmesidir [5]. Yapıştırma bağlantılarda, büyük bir termik ve mekanik zorlama olmadan bağlantının yapılabilmesi, diğer bağlantı yöntemlerine nazaran önemli bir avantajdır. Böylece; birleştirilecek parçaların özellikleri değişmez [6]. Yapıştırıcı ile birleştirilmiş veya pimli bağlantıların analizinde sonlu elemanlar metodundan (FEM) yararlanılmaktadır. Çünkü yapısal, katı ve akışkanlar mekaniği ile ilgili problemlerin analizlerinin yapılmasında, FEM yaklaşık olarak son kırk yıldır çok geniş bir uygulama alanı bulan bir metot haline gelmiştir [7]. Bağlantılarda karma bağlantının tercih edilmesinin nedeni pim bağlantısı ve yapıştırıcı bağlantısının avantajlarından birlikte yararlanılması ve tek başlarına kullanıldıklarında meydana gelen dezavantajlarının önlenmek istenmesidir. Örneğin yapıştırıcı bağlantısı ile gerilmenin tüm yüzeye yayılması, pim bağlantısında delik civarında meydana gelen gerilme yığılmalarının azaltılmak istenmesidir. Ayrıca, iki metal plaka arasını dolduran yapıştırıcının, iki metal plaka arasındaki aşınma ve korozyonu önleyici etkisi de çok önemlidir. Özellikle mekanik birleştiriciler ile birleştirilmiş metal plakalarda korozyon pili oluşumu sıkça karşılaşılan bir sorundur. Sen ve ark. [8] tarafından yapılan deneysel çalışmada, pim ve cıvata bağlantısı yapılmış bağlantılarda hasar analizini incelemişlerdir. Çalışmada tek pim bağlantısı kullanılmış ve pim ile delik arasında bir boşluk bırakılarak, boşluğun hasar davranışını gözlemlemek amacıyla testler yapılmıştır. Pakdil ve Sen yaptıkları çalışmada [9], cam lifleri ile takviye edilmiş epoksi matrise sahip kompozit levhalarda pim bağlantıları neticesinde oluşan hasar davranışını incelemişlerdir. Deneysel olarak yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlara göre, tek pim bağlantılı kompozit plaklarda, yatak mukavemetleri ve hasar tipleri hem geometrik parametrelerden hem de tabaka dizilişlerinden kesinlikle etkilenmektedir. Apalak ve ark. [10] yapıştırılmış ve nokta kaynağı yapılmış bağlantılarda sıcaklık dağılımı ve sıcaklık tesiriyle meydana gelen ısıl gerilmeleri incelemişlerdir. Sıcaklık dağılımı geliştirdikleri Fortran programını kullanarak, ısıl gerilmeleri ise ANSYS sonlu elemanlar yazılımını kullanarak gerçekleştirmişlerdir. Çalışmada, alüminyum, titanyum ve çelik ince levhaların ısıl gerilme analizi elasto-plastik olarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, zaman bağlı çözüm geçekleştirmişlerdir. Sen ve ark. [11], çift örtü kullanılarak yapıştırılmış metal levhalarda sıcaklık etkisiyle oluşan ısıl gerilmeleri incelemişlerdir. Çözümde sonlu elamanlar metodu kullanılmıştır. Aldaş ve ark. [12], epoksi türü bir yapıştırıcı kullanılarak yapıştırılmış ince metal levhalara uygulanmış çift bindirme bağlantısında meydana gelen ısıl gerilmeleri incelemişlerdir. Isıl yük olarak, üniform sıcaklık uygulanmıştır. Analiz, sonlu elemanlar metodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sen [13] yapmış olduğu çalışmada, üniform sıcaklık yükü altındaki kompozit plaklarda meydana gelen ısıl gerilme dağılımını sonlu elemanlar metodunu kullanarak hesaplamıştır. Termoplastik kompozit plakanın orta kısmına, delik modellenmiş ve ısıl gerilmeler üzerine, delik etkisi incelenmiştir. Sen yapmış olduğu bir başka çalışmada [14] üzerinde çok sayıda delik kompozit bulunan bir diskin ısıl analizini gerçekleştirmiştir. Analiz elastik-plastik olarak gerçekleştirilmiş ve sonlu elemanlar metodu kullanılmıştır. Kısaca özetlemek gerekirse, daha önceki yapılan çalışmalarda genel olarak ya pim bağlantısı yada yapıştırıcı bağlantısı incelenmiştir. Analiz edilen bağlantılar değişik geometrilere sahip olmakla birlikte, bağlantılara etki ettirilen yüklerin de ya çekme yükü ya da sadece ısıl yük olduğu anlaşılmaktadır. Şen ve Aldaş tarafından yapılan önceki bir çalışmada [15], sıcaklık değişiminin yapıştırmalı ve pimli alüminyum plakalardaki gerilmeler üzerine etkisi sonlu elemanlar metodu kullanılarak analiz edilmiştir. Çalışmada, karma bağlantı uygulanmış, sadece alüminyum malzemeden üretilmiş ince plakaların farklı üniform sıcaklıklar altındaki ısıl gerilmeler hesaplanmıştır. 2
Aldaş K., Şen F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 Bu çalışmada, ilk defa iki farklı metal plaka aynı anda hem bir pim bağlantısı ve aynı zamanda bir yapıştırıcı bağlantısı ile birleştirilmiştir. Böylece, karma bir bağlantı elde edilmiştir. Ayrıca, bu karma bağlantı üzerine hem çekme yükü hem de üniform sıcaklık yükü aynı anda uygulanmıştır. 2. MALZEME ve METOT Bu çalışmada, Şekil 1 de görüldüğü gibi iki adet ince metal plaka önce epoksi türü bir yapıştırıcı ile yapıştırılmış ve ardından yapıştırılan bu metal plakalara ayrıca pim bağlantısı yapıldığı varsayılmıştır. Böylece, daha önce yapılan çalışmalardan farklı olarak, yapıştırıcı ve pimli bir karma bağlantı oluşturulmuştur. Daha önce bahsedildiği gibi, önceki yapılan çalışmalarda, genel olarak ya yapıştırıcı bağlantıları ya da pimli bağlantılar teker teker çalışılmıştır. Şekil 1 den görüldüğü gibi alt ve üst plakalar farklı malzemelerden tasarlanmıştır. Alt plaka alüminyum olarak sabit tutulurken üst plaka, sırasıyla çelik, bakır, titanyum ve alüminyum olacak şekilde bağlantı gerçekleştirilmiştir. Böylece karma bağlantı yapılmış farklı malzemelerden yapılan plakaların gerilme dağılımı incelenmiştir. Tek bindirme bağlantısı yapılan alt alüminyum levhanın ve üst metal plakaların her birinin kalınlığı 2 mm, plaka uzunlukları 100 mm, plaka genişlikleri 25 mm ve epoksi kalınlığı 0.2 mm olacak şekilde modellenmiştir. Pim deliğinin çapı ise 5 mm olarak seçilmiştir. Şekil 1. Metal plakalara karma bağlantı uygulanması Alt alüminyum plakanın, üst metal plakaların ve epoksi yapıştırıcının, modelleme sürecinde kullanılan mekanik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir [10-16]. Karma bağlantı probleminin çözümünde, son yıllarda birçok mühendislik probleminin çözümünde yaygın olarak tercih edilen sonlu elemanlar metodu kullanılmıştır. Bundan dolayı, ANSYS [17] sonlu elemanlar yazılımından yararlanılmıştır. Bilindiği üzere, ANSYS yazılımı, birçok endüstriyel ve akademik çalışmada tercih edilen, oldukça güzel ve tam sonuçlar elde edilmesini sağlayan, gerek modellemede gerekse sonuçların değerlendirilmesi aşamasında sağladığı eşsiz avantajları nedeniyle, oldukça güzel hazırlanmış bir sonlu elemanlar programıdır. Tablo 1. Metal plakaların ve yapıştırıcın malzeme özellikleri Özellik Bakır Alüminyum Çelik Titanyum Epoksi Yoğunluk, ρ (kg/m 3 ) 8940 2707 7780 4570 1264 Özgül ısı, c p (J/kgK) 386 896 460 523 1046 Isı iletim katsayısı, k (W/mK) 398 204 80.3 20.4 0.179 Elastiklik modülü, E (GPa) 110 66 207 116 3.3 Poisson oranı, υ 0.34 0.33 0.29 0.34 0.30 Isıl genleşme katsayısı, α (µm/m o C) 17.0 23.6 12.6 8.9 43.3 Modelleme yapılırken, modellenecek problemin simetrik olması, dönel simetrik olması vb. avantajlar modelleme sürecinde tasarımcılara önemli avantajlar sağlamaktadır. Bu çalışmada modellenmek istenen karma bağlantının da y-eksenine göre simetrik olmasından dolayı (Şekil 1), modelleme aşamasında tüm 3
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 Karma Bağlantı Uygulanmış Farklı Metal Plakalarda Meydana model yerine, simetri eksenine göre yarım modelleme yapılması uygun olmuştur (Şekil 2). Bundaki temel hedef, modelleme sonrasında oluşturulan sonlu elemanlara bölme işlemi neticesinde, model üzerindeki düğüm noktası sayısı ve eleman sayısının azaltılmasının arzu edilmesidir. Bu azaltma işleminden dolayı, problemin çözüm süresi kısaltılmış ve daha küçük boyutlu sonuç dosyalarının oluşması sağlanmıştır. Modelleme işleminin tamamlamasından sonra, model üzerinde sonlu elemanlar ağ yapısı oluşturulmuştur. Modelin sonlu elemanlar yapısı Şekil 3 te gösterilmiştir. Bu şekilde ayrıca yapıştırıcı bölgesinin ve delik çevresinin detaylı görüntüsü gösterilmiştir. Bu şekilden net bir şekilde görüldüğü gibi, meydana getirilen yarım modelin tamamında, yapıştırıcı ve delik bölgesi de dahil olmak üzere düzgün dörtgen elemanlardan meydana gelen bir sonlu eleman ağ yapısı oluşturulmuştur. Bilindiği üzere, sonlu elemanlarla çözüm yönteminde mümkün olduğunca düzgün bir ağ yapısı elde edilmesi, çözüm aşamasında sonuçlarında çok daha doğru olarak elde edilebilmesine olanak vermektedir. Bununla birlikte, tasarlanan karma bağlantı modelinde var olan, pim bağlantısının sahip olduğu pim deliğinin, bu tür düzgün bir ağ yapısının oluşturulmasını oldukça zorlaştırdığı bilinmektedir. Bununla birlikte, bu çalışmada, arzu edilen bu iyi ve düzgün ağ yapısının, delik çevresi de dahil olmak üzere, modelin tamamında oluşması sağlanmıştır. Şekil 3-a daki detay görüntülerden görüldüğü üzere, elemanlar plakaların kenarlarından yapıştırıcı bölgesine ve pim bölgesine doğru belirli bir oranda küçültülmüştür. Böylece, daha hassas çözüm istenen karma bağlantı bölgesinde daha fazla eleman oluşması ve çözümün bu bölgede daha hassas bir şekilde yapılabilmesi amaçlanmıştır. Sonlu elemanlara bölme işlemi için ANSYS te üç boyutlu modeller için var olan SOLID 45 eleman tipi tercih edilmiştir. (Şekil 3-b). Sonlu elemanlara bölme işleminden sonra üç boyutlu model üzerinde, 34350 eleman ve 42290 düğüm noktası oluşturulmuştur. a) Karma bağlantının yarım modeli ve sınır şartları b) Detay K Şekil 2. Modellenen karma bağlantı ve bağlantı bölgesinin detaylı görüntüsü. Model üzerinde, sonlu elemanlar ağ yapısının oluşturulması işleminden sonra, modele çeşitli sınır şartları uygulanmıştır. Đlk olarak, alt alüminyum levhanın serbest ucundan model tutularak ankastre hale 4
Aldaş K., Şen F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 getirilmiştir. Daha sonra, üst metal levhanın serbest ucundan ise -10 MPa bir basınç uygulanmıştır. Bununla bu serbest uçtan bir çekme yükü modele etki ettirilmiştir. Deliğin iç kısmına, pim sınır şartı etki ettirilmiştir. Bu sınır şartı ile birlikte, modelin delik bölgesinde etkiyen bir pim bağlantısı sınır şartı oluşturulmuştur (Şekil 2-a). Bu şekilden açıkça görüldüğü üzere, karma bağlantıya çekme yükü x- doğrultusunda uygulanmış ve delik çevresinde pimin temas ettiği, siyah ile boyanan alandaki düğüm noktalarında Ux=0 olacak şekilde pim sınır şartı meydana getirilmiştir. a) Modelin sonlu elemanlar ağ yapısı ve bağlantı bölgesinin detaylı görüntüsü 5
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 Karma Bağlantı Uygulanmış Farklı Metal Plakalarda Meydana b) SOLID45 eleman tipi [17] Şekil 3. Modelin sonlu elemanlar ağ yapısının oluşturulması Son olarak karma bağlantıya, 40 o C üniform sıcaklık yükü tüm modele etki ettirilmiştir. Bu işlemle birlikte, modele hem çekme yükü hem de ısıl yükleme gerçekleştirilmiştir. Çalışma bu yönüyle de önceki çalışmalardan önemli bir farklılık arz etmektedir. Özetlemek gerekirse, oluşturulan modelde alt alüminyum levha, malzemesi farklı olan bakır, çelik, titanyum ve kendisiyle malzemesi aynı olan alüminyum levhalar önce birbirine epoksi yapıştırıcı ile yapıştırılmış ve daha sonra yapıştırılan bu bağlantıya pim bağlantısı yapılmak suretiyle, yeni bir bağlantı şekli olarak, karma bağlantı meydana getirilmiştir. Modelleme esnasında, gerçek probleme uygun olması için alt ve üst metal plakalar ile yapıştırıcı tabakası ayrı ayrı üç boyutlu olarak modellenmiştir. Daha sonra yararlanılan yazılımda var olan yapıştırma komutu ile bu üç hacim birbirine yapıştırılmıştır. Bu karma bağlantıya da hem çekme yükü hem de ısıl yük beraber uygulanmak suretiyle her iki yükün birlikte etkisi incelenmiştir. 3. BULGULAR VE TARTIŞMA Bulguların gösterildiği grafiklerde gösterilen çelik, bakır, titanyum ve alüminyum açıklamaları, karma bağlantının üst plakasının malzemesine göre yapılmıştır. Çünkü daha önce açıklandığı üzere, karma bağlantının alt plakası her modelde daima alüminyum olarak düzenlenmişti. Farklı plakalar kullanılarak modellenen her bir bağlantıda meydana gelen maksimum normal gerilmeler Şekil 4 te gösterilmiştir. Bu şekliden görüldüğü gibi tüm malzeme kombinasyonlarında x-yönünde meydana gelen gerilmeler (σ x ) diğer yönlerde meydana gerilmelerden(σ y ve σ z ) daha yüksek değerlerdedir. Aynı zamanda x-yönünde meydana gelen çekme gerilmeleri basma gerilmelerinden çok yüksek değerlerdedir. Fakat y ve z- yönlerinde meydana gelen çekme gerilmeleri, basma gerilmelerinden daha düşük değerlerdedir. Hesaplanan en büyük değerli çekme ve basma normal gerilmelerin değeri 540.70 MPa ve -101.06 MPa değerlerinde, x-yönünde ve çelik üst plaka kullanıldığı bağlantı için hesaplanmıştır. Bununla birlikte, çekme ve basma normal gerilmelerin en düşük maksimum değerleri, y-yönünde 37.17 MPa alüminyum üst plaka kullanıldığında ve -65.55 MPa titanyum üst plaka kullanıldığında elde edilmiştir. Malzeme kombinasyonları göz önüne alındığında en yüksek normal gerilmelerin çelik üst plaka kullanıldığında ortaya çıktığı anlaşılmaktadır. En düşük maksimum normal gerilmeler ise alüminyum üst plaka kullanıldığında ortaya çıkmaktadır. 6
Aldaş K., Şen F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 550 Max.; 540,7 450 350 Max.; 345,05 Max.; 361,32 x, MPa 250 Max.; 262,95 150 50-50 -150 Çelik Bakır Titanyum Alüminyum Min.; -101,06 Min.; -75,57 Min.; -74,65 Min.; -75,57 a) σ x 550 450 350 y, MPa 250 150 50 Max.; 79,45 Max.; 51,75 Max.; 56,63 Max.; 37,17-50 -150 Çelik Bakır Titanyum Alüminyum Min.; -66,12 Min.; -65,97 Min.; -65,55 Min.; -65,96 b) σ y 550 450 350 z, MPa 250 150 50 Mak.; 82,23 Mak.; 67,05 Mak.; 65,08 Mak.; 65,74-50 -150 Çelik Bakır Titanyum Alüminyum Min.; -69,22 Min.; -69,05 Min.; -68,64 Min.; -69,04 c) σ z Şekil 4. Her bir bağlantıda meydana gelen maksimum normal gerilmeler. 7
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 Karma Bağlantı Uygulanmış Farklı Metal Plakalarda Meydana Her ne kadar titanyum üst plaka kullanıldığında y-yönünde meydana gelen basma gerilmesi, alüminyum üst plaka kullanıldığında meydana gelen gerilme değerinden daha düşük olsa da, aradaki fark ihmal edilebilecek kadar düşük değerdedir. Buradan çıkarılabilecek önemli sonuç, alt ve üst plaka aynı malzemeden yapıldığı zaman oluşacak bağlantıdaki gerilmelerin değerlerinin, alt ve üst plakalar farklı malzemelerden yapıldığında oluşturulan bağlantılarda oluşan gerilmelerden daha düşük olduğudur. Farklı üst plakalar kullanılarak modellenen her bir bağlantıda meydana gelen maksimum kayma gerilmeleri Şekil 5 te gösterilmiştir. τ xy kayma gerilmeleri daha yüksek değerlerde bulunmuştur. τ xz kayma gerilmelerin değerleri τ xy kayma gerilmelerinden az bir miktar düşük hesaplanmıştır. 85 Max.; 86,21 65 45 Max.; 53,05 Max.; 54,63 Max.; 48,48 xy, MPa 25 5-15 -35 Çelik Bakır Titanyum Alüminyum Min.; -11,44 Min.; -14,72 Min.; -17,97 Min.; -27,78 a) τ xy 85 65 45 yz, MPa 25 5 Max.; 13,34 Max.; 7,16 Max.; 5,29 Max.; 4,82-15 Çelik Bakır Titanyum Alüminyum Min.; -3,91 Min.; -3,3 Min.; -3,38 Min.; -2,86-35 8
Aldaş K., Şen F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 b) τ yz 85 Max.; 85,2 65 Max.; 54,56 Max.; 55,72 45 Max.; 43,67 xz, MPa 25 5-15 -35 Çelik Bakır Titanyum Alüminyum Min.; -6,33 Min.; -8,42 Min.; -16,22 Min.; -26,79 c) τ xz Şekil 5. Her bir bağlantıda meydana gelen maksimum kayma gerilmeleri. Bununla birlikte, τ yz kayma gerilmeleri diğer kayma gerilmeleri değerlerinden çok daha düşük olarak hesaplanmıştır. En yüksek kayma gerilmesi, çelik üst plaka kullanıldığında τ xy =86.21 MPa değerinde ve çekme formunda hesaplanmıştır. Çekme formundaki, kayma gerilmelerinin en düşük değerleri ise alüminyum üst plaka kullanıldığında meydana gelmiştir. En yüksek basma kayma gerilmesi τ xy =-27.78 MPa olarak bulunmuştur. Yapıştırıcı bağlantılarında, özellikle yapıştırıcı tabakası üzerinde meydana gelen gerilmelerin değerleri ve dağılımları önem arz etmektedir. Bu nedenden dolayı, modellenen her bir bağlantıda kullanılan yapıştırıcı tabakasında meydana gelen σ x normal gerilmeleri Şekil 6 te gösterilmiştir. Bu şekilden görüldüğü gibi yapıştırıcı tabakası üzerinde meydana gelen en yüksek çekme gerilmesi değeri 12.94 MPa olarak alüminyum üst plaka kullanıldığı modelde hesaplanmıştır. Bununla birlikte en yüksek basma gerilmesi, yine aynı bağlantıda ve -4.94 MPa olarak bulunmuştur. a) Çelik üst plaka kullanıldığında 9
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 Karma Bağlantı Uygulanmış Farklı Metal Plakalarda Meydana b) Bakır üst plaka kullanıldığında c) Titanyum üst plaka kullanıldığında d) Alüminyum üst plaka kullanıldığında Şekil 6. Her bir bağlantıda kullanılan yapıştırıcı tabakasında meydana gelen σ x normal gerilmeleri 4. SONUÇ VE ÖNERĐLER Bu çalışmada, alt alüminyum plaka ve üst plaka olarak sırasıyla çelik, bakır, titanyun ve alüminyum olarak modellenen yapıştırıcılı ve pimli karma bağlantılarda meydana gelen gerilmeler incelenmiştir. Karma bağlantıdaki, pim deliğinin etkisiyle delik civarında gerilmelerin daha yüksek değerlerde oluştuğu ve gerilme yığılmalarının oluştuğu anlaşılmıştır. Bağlantılar üzerinde çekme yönü olan x-yönünde (σ x ) daha büyük normal gerilmeler meydana gelmiştir. Çekme gerilmelerinin mutlak değerce basma 10
Aldaş K., Şen F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 gerilmelerinden daha büyük değerlerde olduğu gözlenmiştir. Her bağlantıda alüminyum alt plaka kullanılmakla birlikte, çelik üst plaka kullanıldığında oluşan gerilmelerin diğer farklı malzemeler kullanıldığında oluşturulan karma bağlantılardaki gerilmelerden daha büyük olarak ortaya çıkmıştır. Alüminyum üst plaka kullanıldığında daha düşük gerilmeler hesaplandığından, alt ve üst plakanın aynı malzemeye sahip olması durumda, alt ve üst plaka farklı olan malzemelerden daha düşük gerilmelere neden olmaktadır. Karma bağlantıda kullanılan epoksi yapıştırıcı tabakası incelendiğinde ise, aynı malzemeye sahip alt ve üst alüminyum plakaların olduğu bağlantı sistemindeki yapıştırıcı tabakasında daha büyük gerilmeler oluşmaktadır. 6. KAYNAKLAR 1. Şen, F., 2001, Yapıştırıcı ile Birleştirilmiş Bindirme Bağlantısının Laser Nokta Kaynağı Esnasında Meydana Gelen Sıcaklık Dağılımı ve Isıl Gerilmelerin Đncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi. Niğde Üniversitesi. Niğde. 2. Palancıoğlu, H., Şen, F., Aldaş, K., 2008, Yapıştırma Bağlantıları ve Uygulama Usulleri, Makine Tek Dergisi, Bileşim Yayıncılık, Đstanbul, Ocak sayısı, 1: 38-42. 3. Derewonko, A., Godzimirski, J., Kosiuczenko, K. Niezgoda, T. and Kiczko, A., 2008 Strength assessment of adhesive-bonded joints, Computational Materials Science, 43: 157-164. 4. Şen, F., Aldaş, K., Palancıoğlu, H., 2008, Thermal stress analysis of adhesively bonded single lap joints using FEM. Technological Researches, 2, 31-40. 5. Silva, L.F.M., Adams, R.D. 2007, Joint strength predictions for adhesive joints to be used over a wide temperature range, International Journal of Adhesion and Adhesives, 27: 362-379. 6. Gediktaş, M. 1972. Yapıştırma Bağlantıları. Mühendis ve Makine, 16: 178; 27-33. 7. Mackerle, J. 1997, Finite element analysis and simulation of adhesive bonding, soldering and brazing: A bibliography (1976-1996), Modeling and Simulation in Materials Science and Engineering, 5: 159-185. 8. Şen, F., Pakdil, M., Sayman O. and Benli, S., 2008, Experimental failure analysis of mechanically fastened joints with clearance in composite laminates under preload, Materials & Design, 29, 1159-1169. 9. Pakdil, M., Şen, F. 2007, An experimental study of glass-epoxy laminated composite pin-joints Technological Researches, 3, 13-19. 10. Apalak, M.K., Aldas, K. and Şen, F. 2003, Thermal non-linear stresses in an adhesively bonded and laser-spot welded single-lap joint during laser-metal interaction, Journal of Materials Processing Technology, 142: 1-19. 11. Şen, F., Aldaş, K., Palancıoğlu, H., 2008, Çift örtü kullanılarak yapıştırılmış metal levhalarda ısıl gerilme analizi, Fırat Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 20, 649-659, (). 12. Aldaş, K., Palancıoğlu, H., Sen, F., 2009. Thermal stresses in adhesively bonded double lap joints by FEM, Technological Researches, 6/4, 55-64. 11
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 1-12 Karma Bağlantı Uygulanmış Farklı Metal Plakalarda Meydana 13. Şen, F. 2006, An investigation of thermal elasto-plastic stress analysis of laminated thermoplastic composites with a circular hole under uniform temperature loading, Science and Engineering of Composite Materials, 13, 213-224. 14. Şen, F. 2007, Elastic-Plastic Thermal Stresses in a Composite Disc with Multiple Holes, Advanced Composite Letters, 16/3, 95-103. 15. Şen, F., Aldaş, K. 2010, Sıcaklık değişiminin yapıştırmalı ve pimli alüminyum plakalardaki gerilmeler üzerine etkisi, TÜBAV Bilim Dergisi, 3/4, 323-329. 16. Callister, W.D. Materials Science and Engineering, John Wiley and Sons, Inc. USA, 2003. 17. ANSYS, Release 10.0 Documentation, Swanson Analysis System Inc., Houston, PA, USA. 12