Pim bağlantılı tabakalı kompozit levhalarda ilerlemeli hasar analizi

Yıl 2012, Cilt: 3 Sayı: 2, 91 - 99, 01.12.2012

Kadir Turan Mustafa Gür

Öz

Sunulan çalışmada, pim bağlantılı kompozit levhaların hasar davranışları deneysel ve sayısal yöntemler
kullanılarak araştırılmıştır. Kompozit malzeme olarak tek yönde karbon fiber kullanılarak takviye edilmiş
epoksi matriks reçineli [0o
/75o
]2 simetrik ve anti-simetrik tabaka dizilimine sahip levhalar kullanılmıştır.
Sıcak presleme tekniği kullanılarak üretilen kompozit levhalarda epoksi reçine olarak %80 oranında CY 225
epoksi reçine ve %20 oranında Hy 225 sertleştirici kullanılmıştır. Presleme işlemi sonunda dört tabakadan
oluşan 1,235 mm kalınlığında kompozit levhalar elde edilmiştir. Kompozit levhaların mekanik özellikleri
ASTM standartlarına göre belirlenmiştir. Geometrik parametrelerin değişimi; pim deliği merkezinin
levhanın serbest kenarına uzaklığının pim deliği çapına oranı E/D ve levha genişliğinin pim deliği çapına
oranı W/D değerlerine göre incelenmiştir. Pim deliği çapı 6 mm olmak üzere, E/D oranı 1’den 5’e kadar
arttırılırken, W/D oranı 2’den 5’e kadar arttırılmıştır. Sayısal çalışma, ANSYS 11.0 programında üç
aşamadan oluşan bir alt program yardımı ile gerçekleştirilmiştir. Ansys parametrik dizayn dili
(APDL)kullanılarak hazırlanan programda öncelikle katı modelleme, sonlu elemanlara bölmeleme ve sınır
şartlarının teşkili, ikinci bölümde gerilme analizi ve son bölümde ise hasar analizi yapılmıştır. Hasar
analizinde, hasar yüklerini belirlemek için Hashin hasar kriteri kullanılırken hasar tipleri ve son hasar yükü
malzeme indirgeme kuralları kullanılarak belirlenmiştir. Çalışma sonucunda hasar tiplerinin ve yüklerinin
değişiminde E/D oranının etkili olduğu gözlemlenmiştir. E/D oranın 1 olduğu tüm numuneler için hasar tipi
olarak kesme hasarı görülürken 2, 3, 4 ve 5 olduğu numunelerde ezilme hasarı görülmüştür. Sayısal ve
deneysel sonuçlar arasında %1 ile %14 oranında değişen yakınsaklıkta sonuçlar elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Kompozit levhalar, İlerlemeli Hasar Analizi, Pimli bağlantılar, Sonlu Elemanlar metodu.

Progressive Failure Analysis in Pinned Joint Laminated Composite Plates

Öz

Fiber reinforced composite plates are widely using
automotive, aerospace and space craft industry. For
joining composite to composite or composite to
metal, mechanical fasteners are used. Pinned
connections are a kind of mechanical fasteners and
using commonly for joining composites. It is
preferred because of low cost, simplicity for
application, cheaper than other fasteners and
facilitation of disassembly for repair.
For application of pinned connections a hole must
be opened in the composite plates. Then, the stress
concentration locations are appeared on the edge of
the hole. The hole is causes stress concentration
locations and often causes reduction of load
capacity of composite plates. Because of complex
failure modes of mechanical joints, designer must be
have much more rigorous design knowledge and
techniques than traditional methods.
In the present sudy, failure behaviour of pinned joint
composite materials were analysed experimentally
and numerically. The composite materials which
were consist of unidirectional carbon fibers and
epoxy matrix resin were used with [0o
/75o
]2
symmetric and anti symmetric laminae layups.
Numerical analysis was performed with using three
dimensionally finite element methods in ANSYS
software. In the progressive failure analysis, the
Hashin failure criteria and material properties
degradation rules were used for predicted failure
loads and failure modes.
The composite plates produced in IZOREEL firm by
supporting FUBAP (Firat University Scientific
Research Unit). All laminates were manufactured by
press-mould technique. As the matrix material,
epoxy CY 225 and hardener HY 225 are mixed in the
mass ratio at 100:80. Volume fraction of unidirectional
carbon fiber is approximately 70 %.
A serial of experiments was performed for
determining failure behavior of pin joined and
mechanical properties of carbon/epoxy composite
plates. The pin loading tensile tests were performed
according to ASTM D 953-D standard test method.
The failure analysis was performed in ANSYS finite
element software with using a computer code which
was created with APDL codes. The stress analysis is
ended; the stress component of each element is
saved in the matrix form. Then each element is
tested with failure criteria. If a failure is predicted
on any element, material properties are modified by
implementing degradation rules. This iteration is
continued until catastrophic failure appears.
All of the specimens were loaded until catastrophic
failure occurred and the general behavior of the
composite plates was obtained from the
load/displacement curves. The shear-out failure
mode was observed for pin displacement value
between 0,5-1,5 mm and the bearing failure mode
was observed for pin displacement value between 1-
3 mm. Generally, the failure loads affected the
geometrical parameters (E/D and W/D). The failure
loads were increased with increasing E/D and W/D
ratios. However, in this study the failure modes
varied with E/D ratios. When E/D ratios were equal
1, the failure mode was observed as shear-out mode.
For other values of E/D ratios (i.e. 2, 3, 4, 5), the
failure modes were observed as bearing failure.
Because of the fiber orientation angle (0o) of
composite plates, failure modes of pinned
connections were not impressed the W/D ratios and
the net – tension failure was not observed.

Anahtar Kelimeler

Composite Plates, Progressive Failure Analysis, PinnedJoints, Finite Element Method