Modeling of Thermoplastic Matrix Glass and Carbon Fiber Reinforced Composite Materials with ANSYS Program and Investigation of their Mechanical Properties

Abstract

With the increasing use of composite materials today, different product designs and computer-aided strength analyzes of these designs are also carried out. In addition to the fact that the computer-aided designs contain important information, acceptable results close to the real test results are obtained with the correct modeling. This study was carried out with the ANSYS program working with Finite Element Based mathematical modeling logic and unlike most studies, strength and displacement analyzes of a curved composite material against a certain force were made. In this study, the strength analyzes of composite materials in curved planes due to their aerodynamic advantages, which are widely used in the automotive and aviation industries, were examined. The designs consisting of carbon, glass and both carbon and glass fiber reinforced composite materials are designed as 10-layer laminated composites. The force and displacement results on a total of 3 composite models with laying angles (0⁰ / ±45⁰ / 0⁰) were examined. Composite prepregs were calculated as 0.5 mm and each composite model was designed to have a thickness of 5 mm. The defined material properties were taken from the sources of the manufacturer Polyram Group, and the carbon and glass prepregs were taken as PLUSTEK PAT300R8BK and PLUSTEK PAT801G50BK10, respectively. In this study, the strength results of thermoplastic composite materials according to reinforcement element were examined.

Keywords

• Force and pressure analysis
• thermoplastic matrix composite materials
• glass and carbon fiber reinforced
• ANSYS

Termoplastik Matrisli Cam ve Karbon Elyaf takviyeli Kompozit Malzemelerin ANSYS Programı ile Modellenmesi ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi

Abstract

Kompozit malzemelerin günümüzde kullanımın artmasıyla birlikte, farklı ürün tasarımları ve bu tasarımların bilgisayar destekli mukavemet analizleri de yapılmaktadır. Yapılan bilgisayar destekli tasarımlar önemli bilgiler içermesinin yanı sıra doğru modelleme ile gerçek test sonuçlarına yakın kabul edilebilir sonuçlar da elde edilmektedir. Bu çalışma Sonlu Elemanlar Tabanlı matemetiksel modelleme mantığı ile çalışan ANSYS programı ile yapılmıştır ve çoğu çalışmanın aksine eğri bir kompozit malzeme için belirli bir kuvvete karşı gösterdiği dayanım ve yer değiştirme analizleri yapılmıştır. Çalışmada otomativ ve havacılık sanayinde yoğun kullanım alanı bulan, aerodinamik avantajlarından kaynaklı eğri düzlemlerde kompozit malzemelerin kuvete karşı dayanım analizleri incelenmiştir. Karbon, cam ve hem karbon hem cam elyaf takviyeli kompozit malzemelerden oluşan tasarımlar 10 katmanlı lamine kompozitler olarak tasarlanmıştır. (0⁰ / ±45⁰ / 0⁰) serim açılarıyla toplamda 3 kompozit model üzerinde kuvvet ve yer değiştirme sonuçları incelenmiştir. Kompozit prepregler 0,5 mm olarak hesaplanmış ve her kompozit model 5 mm kalınlığa sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Tanımlanan malzeme özellikleri üretici firma olan Polyram Group firması kaynaklarından alınmış olup karbon ve cam prepregler sırasıyla PLUSTEK PAT300R8BK ve PLUSTEK PAT801G50BK10 olarak alınmıştır. Bu çalışmada termoplastik kompozit malzemelerin takviye elemanına göre göstermiş olduğu mukavemet sonuçları incelenmiştir.

Keywords

• Yük ve basınç analizi
• termoplastik matrisli kompozit malzemeler
• cam ve karbon elyaf
• ANSYS

References

1. K.P. Ashik, R.S. Sharma, A review on mechanical properties of natural fiber reinforced hybrid polymer composites, J. Miner. Mater. Charact. Eng., vol.03(05):420–426, January, 2015.
2. L.C. Hollaway, M.K. Chryssanthopoulos, S.S.J. Moy (Eds.), Advanced Polymer Composites for Structural Applications in Construction, Woodhead, Publishing Limited, UK, 2004, pp. 360-370
3. Sayman, O. Aksoy, S., “tabakalı kompozit plakalarda takviye malzemesi ve oryantasyon açısının gerilme analizine etkisi”, Ege Üniv. Mak. Fak. Mak. Müh. Böl, vol. 1, no. 6, 2007.
4. Öndürücü, A., & Karacan, A., Tabakalı Cam Elyaf/Epoksi Kompozitlerin Darbe Davranışının Deneysel Olarak İncelenmesi. Müh. Bil. ve Tas. Der., 6(3), 435–447. https://doi.org/10.21923/jesd.363292, 2008
5. Ma, Y., Ueda, M., Yokozeki, T., Sugahara, T., Yang, Y., Hamada, H., A comparative study of the mechanical properties and failure behavior of carbon fiber/epoxy and carbon fiber/polyamide 6 unidirectional composites. Compos. Struc., 160, 89–99. 2017.
6. K. Friedrich, A.A. Almajid, Manufacturing aspects of advanced polymer composites for automotive applications, Appl. Compos. Mater. 20 107–128, https://doi.org/10.1007/s10443-012- 9258-7. 2013.
7. Carbajal, N., & Mujika, F. Determination of transverse compressive strength of long fibre composites by three-point bending of [90 m /0 n ] cross-ply laminated strips. Poly. Test., 30(5), 578–584. 2001.
8. M.E. Demir, Y.H. Çelik, E. Kilickap, Effect of matrix material and orientation angle on tensile and tribological behavior of jute reinforced composites, Material./Mater. Test. 61 (8) 806– 812. 2019.

9. Meng, M., Le, H. R., Rizvi, M. J., & Grove, S. M. (2015). 3D FEA modelling of laminated composites in bending and their failure mechanisms. Compos. Struc., 119, 693–708. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.09.04 8.
10. Arriaga, A., Lazkano, J. M., Pagaldai, R., Zaldua, A. M., Hernandez, R., Atxurra, R., & Chrysostomou, A. Finite-element analysis of quasi-static characterisation tests in thermoplastic materials: Experimental and numerical analysis results correlation with ANSYS. Poly. Test., 26(3),284–305. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2006.1 0.012. 2007.
11. Xiong, J., Ma, L., Stocchi, A., Yang, J., Wu, L. and Pan S., Bending response of carbon fiber composite sandwich beams with three dimensional honeycomb cores. Compos. Struc., 108(1), 234–242. 2013. Feb, 2014.
12. https://polyram-group.com/product/plustekpat300r8bk
13. https://polyram-group.com/product/plustekpat801g50bk10
14. H. Özer., ‘’Sürekli Cam Elyaf Takviyeli Termoplastik Kompozit Malzemelerin Geliştirilmesi ve Mekanik Özelliklerinin Deneysel Olarak Belirlenmesi’’, Yüksek Lisans Tezi, Uludağ Üniversitesi, 2015
15. A. Demirel, ‘’Karbon elyaf takviyeli epoksi kompozit malzemelerin karakterizasyonu’’, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, 2007.