Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Karbon nanotüp ile güçlendirilmiş cam fiber/epoksi ve karbon fiber/epoksi kompozit borusal yapıların yarı-statik ezilme ve enerji emilimi davranışlarının incelenmesi

Yıl 2022, Cilt: 28 Sayı: 1, 81 - 90, 28.02.2022

Yasin Yılmaz Hasan Çallıoğlu Ali Balbay

Öz

Bu çalışmada, karbon nano tüp (CNT) katkılı cam fiber/epoksi (GFRP) ve karbon fiber/epoksi (CFRP) kompozit borusal yapıların ezilme ve enerji emilimi davranışları incelenmiştir. Çalışma iki ana kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım, deneysel çalışmalardan oluşmaktadır. Bu aşamada fonksiyonelleştirilmiş çok duvarlı CNT katkılı (ağırlıkça %0.1; 0.2; 0.3; 0.5; 1; 2 oranlarında) ve katkısız cam fiber/epoksi kompozit plakalar, el yatırması yöntemi ile üretilmiş ve çekme, basma ve kayma deneyleri gerçekleştirilerek kompozit malzemelerin mekanik özellikleri belirlenmiştir. Bu incelemeler sonucunda çeki, bası ve kayma mukavemeti açılarından kompozit numune için %0.5 CNT oranının en uygun olduğu görülmüştür. İkinci kısım ise, sayısal çalışmalardan oluşmaktadır. Bu aşamada belirlenen mekanik özellikler kullanılarak, sonlu elemanlar tabanlı bir paket programı (ABAQUS) yardımıyla kare ve dairesel kesitli cam elyaf/epoksi ve karbon elyaf/epoksi kompozit boruların yarı statik ezilme ve enerji emilimi davranışları sayısal olarak incelenmiştir. Karbon fiber/epoksi kompozit malzemeye ait malzeme özellikleri literatürden elde edilmiştir. Sayısal analizler sonucunda karbon fiber takviyeli dairesel kesitli kompozit boruların spesifik enerji emilimi kapasitesinin diğer borularla karşılaştırıldığında daha yüksek olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

Kompozit malzeme Karbon nanotüp Cam fiber Karbon fiber

Kaynakça

  • [1] Kaw KA. Mechanics of Composite Materials. 2nd ed. New York, USA, Taylor and Francis Group, 2006.
  • [2] Balasubramanian M. Composite Materials and Processing. New York, USA, Taylor and Francis Group, 2013.
  • [3] Tarlochan F, Samer F, Hamouda AMS, Ramesh S., Khalid K. “Design of thin wall structures for energy absorption applications: Enhancement of crashworthiness due to axial and oblique impact forces”. Thin-Walled Structures 71, 7-17, 2013.
  • [4] Mishnaevsky Jr L, Dai G. “Hybrid carbon/glass fiber composites: Micromechanical analysis of structuredamage resistance relationships”. Computational Materials Science, 81, 630-640, 2014.
  • [5] Montazeri A, Montazeri N. “Viscoelastic and mechanical properties of multi walled carbon nanotube/epoxy composites with different nanotube content”. Materials and Design, 32, 2301-2307, 2011.
  • [6] Muthu J, Dendere C. “Functionalized multiwall carbon nanotubes strengthened GRP hybrid composites: Improved properties with optimum fiber content”. Composites: Part B, 67, 84-94, 2014.
  • [7] Jia X, Zhu J, Li W, Chen X, Yang X. “Compressive and tensile response of CFRP cylinders induced by multi-walled carbon nanotubes”. Composites Science and Technology, 110, 35-44, 2015.
  • [8] Zhou HW, Mishnaevsky L, Yi HY, Liu YQ, Hu X, Warrier A, Dai GM. “Carbon fiber/carbon nanotube reinforced hierarchical composites: Effect of CNT distribution on shearing strength” Composites Part B: Engineering, 88, 201-211, 2016.
  • [9] Huang J, Wang X. “Numerical and experimental investigations on the axial crushing response of composite tubes”. Composite Structures, 91, 222-228, 2009.
  • [10] Kim JS, Yoon HJ, Shin KB. “A study on crushing behaviors of composite circular tubes with different reinforcing fibers”. International Journal of Impact Engineering, 38, 198-207, 2011.
  • [11] Sokolnisky, VS, Indermuehle KC, Hurtado JA. “Numerical simulation of the crushing process of a corrugated composite plate”. Composites: Part A, 42, 1119-1126, 2011.
  • [12] Zhang P, Gui LJ, Fan ZJ, Yu Q, Li ZK. “Finite element modeling of the quasi-static axial crushing of braided composite tubes”. Computational Materials Science, 73, 146-153, 2013.
  • [13] Siromani D, Awerbuch J, Tan TM. “Finite element modeling of the crushing behavior of thin-walled CFRP tubes under axial compression”. Composites: Part B, 64, 50-58, 2014.
  • [14] Chiu LNS, Falzon BG, Boman C, Yan Wenyi. “Finite element modelling of composite structures under crushing load”. Composite Structures, 131, 215-228, 2015.
  • [15] Tan W, Falzon BG, Price M. “Predicting the crushing behaviour of composite material using high-fidelity finite element modelling”. International Journal of Crashworthiness, 20(1), 60-77, 2015.
  • [16] Wang Y, Feng J, Wu J, Hu D. “Effects of fiber orientation and wall thickness on energy absorption characteristics of carbon-reinforced composite tubes under different loading conditions”. Composite Structures, 153, 356-368, 2016.
  • [17] Reuter C, Sauerland KH, Tröster T. “Experimental and numerical crushing analysis of circular CFRP tubes under axial impact loading”. Composite Structures, 174, 33-44, 2017.
  • [18] Waime M, Siemann MH, Feser T. “Simulation of CFRP components subjected to dynamic crash loads”. International Journal of Impact Engineering, 101, 115-131, 2017.
  • [19] Zhang Z, Sun W, Zhao Y, Hou S. “Crashworthiness of different composite tubes by experiments and simulations”. Composites Part B, 143, 86-95, 2018.
  • [20] Zhu G, Sun G, Li G, Cheng A, Li Q. “Modeling for CFRP structures subjected to quasi-static crushing”. Composite Structures, 184, 41-55, 2018.
  • [21] Patel S, Vusa VR, Soares CG. “Crashworthiness analysis of polymer composites under axial and oblique impact loading”. International Journal of Mechanical Sciences, 156, 221-234, 2019.
  • [22] Gibson RF. Principles of Composite Material Mechanics. New York, USA, Taylor and Francis Group, 2011.
  • [23] Johnson AF. “Modelling fabric reinforced composites under impact loads”. Composites Part A, 32, 1-2, 2001.

Investigation of quasi-static crushing and energy absorption behaviors of carbon nanotube reinforced glass fiber/epoxy and carbon fiber/epoxy composite tubular structures

Yıl 2022, Cilt: 28 Sayı: 1, 81 - 90, 28.02.2022

Yasin Yılmaz Hasan Çallıoğlu Ali Balbay

Öz

In this study, crushing and energy absorption behavior of carbon nanotube (CNT) reinforced glass fiber/epoxy (GFRP) and carbon fiber/epoxy (CFRP) composite tubular structures has been investigated. The study consists of two main parts. First part deals with the experimental studies. At this stage, functionalized multi-walled CNT added (at weight percentages of 0.1; 0.2; 0.3; 0.5; 1; 2%) and additive free GFRP composite plates were produced using hand lay-up method and tension, compression and shear tests were carried out to determine mechanical properties of the composite materials. As a result of these investigations, 0.5% CNT addition is determined to be most suitable rate for the composite in terms of tension, compression, and shear strength. The second part deals with the numerical studies. At this stage, quasistatic crushing and energy absorption characteristics of circular and square cross-section GFRP and CFRP tubes were investigated numerically using the determined mechanical properties in a commercial finite element based software (ABAQUS). The mechanical properties of CFRP tubes were taken from the existing literature. As a result of numerical studies, the specific energy absorption capacity of circular CFRP tubes was found to be most efficient compared to the other tubes.

Anahtar Kelimeler

Composite materials Carbon nanotube Glass fiber Carbon fiber

Kaynakça

  • [1] Kaw KA. Mechanics of Composite Materials. 2nd ed. New York, USA, Taylor and Francis Group, 2006.
  • [2] Balasubramanian M. Composite Materials and Processing. New York, USA, Taylor and Francis Group, 2013.
  • [3] Tarlochan F, Samer F, Hamouda AMS, Ramesh S., Khalid K. “Design of thin wall structures for energy absorption applications: Enhancement of crashworthiness due to axial and oblique impact forces”. Thin-Walled Structures 71, 7-17, 2013.
  • [4] Mishnaevsky Jr L, Dai G. “Hybrid carbon/glass fiber composites: Micromechanical analysis of structuredamage resistance relationships”. Computational Materials Science, 81, 630-640, 2014.
  • [5] Montazeri A, Montazeri N. “Viscoelastic and mechanical properties of multi walled carbon nanotube/epoxy composites with different nanotube content”. Materials and Design, 32, 2301-2307, 2011.
  • [6] Muthu J, Dendere C. “Functionalized multiwall carbon nanotubes strengthened GRP hybrid composites: Improved properties with optimum fiber content”. Composites: Part B, 67, 84-94, 2014.
  • [7] Jia X, Zhu J, Li W, Chen X, Yang X. “Compressive and tensile response of CFRP cylinders induced by multi-walled carbon nanotubes”. Composites Science and Technology, 110, 35-44, 2015.
  • [8] Zhou HW, Mishnaevsky L, Yi HY, Liu YQ, Hu X, Warrier A, Dai GM. “Carbon fiber/carbon nanotube reinforced hierarchical composites: Effect of CNT distribution on shearing strength” Composites Part B: Engineering, 88, 201-211, 2016.
  • [9] Huang J, Wang X. “Numerical and experimental investigations on the axial crushing response of composite tubes”. Composite Structures, 91, 222-228, 2009.
  • [10] Kim JS, Yoon HJ, Shin KB. “A study on crushing behaviors of composite circular tubes with different reinforcing fibers”. International Journal of Impact Engineering, 38, 198-207, 2011.
  • [11] Sokolnisky, VS, Indermuehle KC, Hurtado JA. “Numerical simulation of the crushing process of a corrugated composite plate”. Composites: Part A, 42, 1119-1126, 2011.
  • [12] Zhang P, Gui LJ, Fan ZJ, Yu Q, Li ZK. “Finite element modeling of the quasi-static axial crushing of braided composite tubes”. Computational Materials Science, 73, 146-153, 2013.
  • [13] Siromani D, Awerbuch J, Tan TM. “Finite element modeling of the crushing behavior of thin-walled CFRP tubes under axial compression”. Composites: Part B, 64, 50-58, 2014.
  • [14] Chiu LNS, Falzon BG, Boman C, Yan Wenyi. “Finite element modelling of composite structures under crushing load”. Composite Structures, 131, 215-228, 2015.
  • [15] Tan W, Falzon BG, Price M. “Predicting the crushing behaviour of composite material using high-fidelity finite element modelling”. International Journal of Crashworthiness, 20(1), 60-77, 2015.
  • [16] Wang Y, Feng J, Wu J, Hu D. “Effects of fiber orientation and wall thickness on energy absorption characteristics of carbon-reinforced composite tubes under different loading conditions”. Composite Structures, 153, 356-368, 2016.
  • [17] Reuter C, Sauerland KH, Tröster T. “Experimental and numerical crushing analysis of circular CFRP tubes under axial impact loading”. Composite Structures, 174, 33-44, 2017.
  • [18] Waime M, Siemann MH, Feser T. “Simulation of CFRP components subjected to dynamic crash loads”. International Journal of Impact Engineering, 101, 115-131, 2017.
  • [19] Zhang Z, Sun W, Zhao Y, Hou S. “Crashworthiness of different composite tubes by experiments and simulations”. Composites Part B, 143, 86-95, 2018.
  • [20] Zhu G, Sun G, Li G, Cheng A, Li Q. “Modeling for CFRP structures subjected to quasi-static crushing”. Composite Structures, 184, 41-55, 2018.
  • [21] Patel S, Vusa VR, Soares CG. “Crashworthiness analysis of polymer composites under axial and oblique impact loading”. International Journal of Mechanical Sciences, 156, 221-234, 2019.
  • [22] Gibson RF. Principles of Composite Material Mechanics. New York, USA, Taylor and Francis Group, 2011.
  • [23] Johnson AF. “Modelling fabric reinforced composites under impact loads”. Composites Part A, 32, 1-2, 2001.
Toplam 23 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil Türkçe
Konular Mühendislik
Bölüm Makine Müh. / Endüstri Müh.
Yazarlar

Yasin Yılmaz Bu kişi benim

Hasan Çallıoğlu Bu kişi benim

Ali Balbay

Yayımlanma Tarihi 28 Şubat 2022
Yayımlandığı Sayı Yıl 2022 Cilt: 28 Sayı: 1

Kaynak Göster

APA Yılmaz, Y., Çallıoğlu, H., & Balbay, A. (2022). Karbon nanotüp ile güçlendirilmiş cam fiber/epoksi ve karbon fiber/epoksi kompozit borusal yapıların yarı-statik ezilme ve enerji emilimi davranışlarının incelenmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 28(1), 81-90.
AMA Yılmaz Y, Çallıoğlu H, Balbay A. Karbon nanotüp ile güçlendirilmiş cam fiber/epoksi ve karbon fiber/epoksi kompozit borusal yapıların yarı-statik ezilme ve enerji emilimi davranışlarının incelenmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. Şubat 2022;28(1):81-90.
Chicago Yılmaz, Yasin, Hasan Çallıoğlu, ve Ali Balbay. “Karbon nanotüp Ile güçlendirilmiş Cam fiber/epoksi Ve Karbon fiber/Epoksi Kompozit Borusal yapıların Yarı-Statik Ezilme Ve Enerji Emilimi davranışlarının Incelenmesi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 28, sy. 1 (Şubat 2022): 81-90.
EndNote Yılmaz Y, Çallıoğlu H, Balbay A (01 Şubat 2022) Karbon nanotüp ile güçlendirilmiş cam fiber/epoksi ve karbon fiber/epoksi kompozit borusal yapıların yarı-statik ezilme ve enerji emilimi davranışlarının incelenmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 28 1 81–90.
IEEE Y. Yılmaz, H. Çallıoğlu, ve A. Balbay, “Karbon nanotüp ile güçlendirilmiş cam fiber/epoksi ve karbon fiber/epoksi kompozit borusal yapıların yarı-statik ezilme ve enerji emilimi davranışlarının incelenmesi”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 28, sy. 1, ss. 81–90, 2022.
ISNAD Yılmaz, Yasin vd. “Karbon nanotüp Ile güçlendirilmiş Cam fiber/epoksi Ve Karbon fiber/Epoksi Kompozit Borusal yapıların Yarı-Statik Ezilme Ve Enerji Emilimi davranışlarının Incelenmesi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 28/1 (Şubat 2022), 81-90.
JAMA Yılmaz Y, Çallıoğlu H, Balbay A. Karbon nanotüp ile güçlendirilmiş cam fiber/epoksi ve karbon fiber/epoksi kompozit borusal yapıların yarı-statik ezilme ve enerji emilimi davranışlarının incelenmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. 2022;28:81–90.
MLA Yılmaz, Yasin vd. “Karbon nanotüp Ile güçlendirilmiş Cam fiber/epoksi Ve Karbon fiber/Epoksi Kompozit Borusal yapıların Yarı-Statik Ezilme Ve Enerji Emilimi davranışlarının Incelenmesi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 28, sy. 1, 2022, ss. 81-90.
Vancouver Yılmaz Y, Çallıoğlu H, Balbay A. Karbon nanotüp ile güçlendirilmiş cam fiber/epoksi ve karbon fiber/epoksi kompozit borusal yapıların yarı-statik ezilme ve enerji emilimi davranışlarının incelenmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. 2022;28(1):81-90.





Creative Commons Lisansı
Bu dergi Creative Commons Al 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır.