Mechanical Behaviors of Composite Leaf Springs with Additive of Carbon Nanotubes and Chitosan

Abstract

Suspension systems are automotive parts which absorb sudden impacts caused by roads and providing comfort have an essential role in the automotive sector. Reducing weight is a fundamental way to decrease energy consumption and emission release. This study establishes improvement conditions by analysing layered composite springs which have different compositions and different support angles under various weights. Ten plaques which made with various compositions chitosan and carbon nanotubes, also one-way glass fiber/epoxy composite plaques with prepreg method and one unalloyed plaque were produced. Standard samples were extracted by water jet and pull&push test were applied to identify mechanical properties. Five standard samples were used to identify each mechanical property. Mechanical properties of samples with different compositions were compared.
Identified mechanical properties were used as material properties at the ANSYS ACP PRE&POST analysis program. Composite spring thicknes were 12 mm and it is composed of 60 layers. Static analysis of composite springs modelled with five different layer orders was done by applying 1000 N, 2000 N, 3000 N and 3750 N force. Collapse, stress and shape changes of composite springs were examined at static analyses.
Analysis show that unalloyed composite leaf spring is more resistant than its counterparts. When Layer Order 1 (TD1) [0°)] 60 with the same direction for fiber and horizontal axis of composite leaf spring is compared with others, it is seen that composite spring with TD1 is more rigid against bending. Damage analysis was done with ACP POST program according to Tsai-Wu and Hashin standards and it is seen that end points of springs were mostly damaged. Most damaged one is the TD5 leaf spring with [(0°5/90°5/45°10/-45°10)]s layer order under 3750 N according to Tsai-Wu standard. In addition to that, composite leaf springs were %49,84 lighter than mostly used one leaf steel counterparts.

Keywords

• Composite Spring Leaf 1
• Carbon Nanotube 2
• Chitosan 3
• Glass Fiber 4

Kitosan/Karbon Nanotüp Katkili Kompozit Yaprak Yayların Mekanik Davranışları

Öz

Günümüz otomotiv sektöründe hayati öneme sahip süspansiyon sistemleri, yol koşullarından kaynaklanan ani şok darbelerini sönümleyen ve konfor sağlayan otomotiv parçalarıdır. Enerji tüketimini azaltmak ve emisyon salınımını düşürmek için ağırlıktan kazanç otomotiv sektörü için hayati bir öneme sahiptir. Bu nedenle bu çalışmada, ağırlıkça farklı katkı oranlarına ve farklı takviye açılarına sahip tabakalı kompozit yaylar değişken yükler altında nümerik olarak analiz edilerek uygun iyileştirme şartları tespit edilmeye çalışılmıştır. Kitosan, karbonnanotüp ve bunların karışımından oluşan farklı katkı oranlarında, tek yönlü cam elyaf/epoksi kompozit plakalar prepreg yöntemi ile biri katkısız olmak üzere on adet plaka imal edilmiştir. Mekanik özelliklerinin tespit edilmesi için su jeti ile plakalardan standart numuneler çıkartılmış ve çekme ve basma testleri icra edilmiştir. Her mekanik özelliğin tespiti için beş standart numune kullanılmıştır. Farklı katkı oranlarına sahip numunelerin mekanik özellikleri birbirleriyle kıyaslanmıştır.
Elde edilen mekanik özellikler, ANSYS ACP PRE&POST analiz programında malzeme özellikleri olarak kullanılmıştır. Kompozit yay kalınlığı 12 mm olup 60 tabakadan oluşmaktadır. Beş farklı tabaka diziliminde modellenen kompozit yaylara 1000 N, 2000 N, 3000 N ve 3750 N kuvvet uygulanarak statik analizleri yapılmıştır. Statik analizlerde kompozit yayların çökmesi, yayda oluşan normal gerilme ve şekil değiştirmeler incelenmiştir.
Analizler sonucunda katkısız kompozit yaprak yayın katkılı muadillerine göre daha mukavemetli olduğu tespit edilmiştir. Fiber yönü ile kompozit yaprak yayın yatay ekseni aynı doğrultuda seçilmiş olan Tabaka Düzeni 1 (TD1) [(0°)]60 ile diğer tabaka dizilimleri kıyaslandığında TD1’li kompozit yayın eğilmeye karşı daha rijit olduğu tespit edilmiştir. ACP POST programıyla Tsai-Wu ve Hashin kriterlerine göre hasar analizleri yapılarak en çok deformasyonun yayın uç noktalarında meydana geldiği görülmüştür. En büyük hasar miktarı 3750 N kuvvet altındaki [(0°5/90°5/45°10/-45°10)]s tabaka dizilimli TD5 yaprak yayında Tsai-Wu kriterine göre olmuştur. Ayrıca kompozit yaprak yaylar, günümüzde kullanılan aynı ebatlı, tek yapraklı çelik muadili ile kıyaslandığında, %49,84 daha hafif olmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Kompozit Yaprak Yay 1
• Karbon Nanotüp 2
• Kitosan 3
• Cam Fiber 4.

Kaynakça

1. Kumar, M. S., Vijayarangan, S., (2007) “Analytical and experimental studies on fatigue life prediction of steel and composite multi-leaf spring for light passenger vehicles using life data analysis”, Materials Science , 13 (2), 141-146.
2. Meatto, FD , ED Pilpel., “Durability Comparison of Fiberglass Monoleaf Hybrid and Multileaf Steel Springs”, Paper read at Steering and Suspension Technology Symposium, (1999).
3. Shokrieh, M. M., Rezaei, D., ” Analysis and optimization of a composite leaf spring”, Composite structures , 60, (3), 317-325, (2003).
4. Patunkar, M. M., Dolas, D.R., ” Modelling and Analysis of Composite leaf spring under the static load condition by using FEA”, International Journal of Mechanical & Industrial Engineering , 1, (1-2011),1-4, (2011).
5. Kumar, S.Y.N.V. , Teja, M.V., ” Design and Analysis of Composite Leaf Spring” , Int. J. Mech. Ind. Engg , 2, 1, pp. 2231–2247, (2012).
6. Venkatesan, M., Devaraj, D.H. , ” Design and analysis of composite leaf spring in light vehicle”, international journal of modern engineering research , 2, (1), 213-218, (2012).
7. Narayana, V.L., ” Design and Analysis Of Mono Composite Leaf Spring For Suspension in Automobiles”, Int. J. Eng. Res. & Tech , 1, 6, pp.1–13, (2012).
8. Saini, P., Goel, A., Kumar, D., ” Design and Analysis of composite leaf spring for light vehicles”, international journal of innovative research in science, engineering and technology , cilt no 2, (5), (2013).

9. Gopalakrishnan, T., Raja, M., Prakash, V.M.J., Gnanavel, C., ” Design and Fabrication of E-Glass /carbon/graphite epoxy hybrid composite leaf spring”, International Conference on Emerging Trends in Engineering Research , 183, (2017).
10. Thippesh, L., ” Fabrication of Hybrid Composite Mono-Leaf Spring with Unidirectional Glass Fibers”, Materials Today: Proceedings , 5, 2980-2984, (2018).
11. Sayer, M., (2009). “Hibrit Kompozitlerin Darbe Davranışlarının İncelenmesi”, Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Denizli.