Karbon elyaf takviyeli karbon nanotüp katkılı epoksi kompozit helisel yayların mekanik davranışları

Bu çalışmada, makinelerde titreşim sönümleyici olarak kullanılan çelik yaylara alternatif olarak karbonnanotüp (KNT) katkılı ve karbon elyaf takviyeli kompozitlerden üretilmiş helisel yayların mekanik davranışları araştırılmıştır. Özellikle KNT katkısının helisel yayların mekanik özellikleri üzerindeki etkileriincelenmiştir. Öncelikle helisel yayların boyutlandırılması ile ilgili dizayn parametreleri üzerindedurulmuştur. Çalışmanın analitik kısmı için, epoksi reçinesine % 0,00, % 0,05, % 0,10 ve % 0,15 KNTkatılmış ve karbon elyaf ile takviye edilerek kompozit yapılar elde edilmiştir. Mikromekanik yöntemlekompozit yapıların elastisite modülü, kayma modülü, Poison oranı değerleri hesaplanmıştır. Çalışma kapsamında, yay tel çapı ve yay rijitliği değerlerinin tasarım parametreleri üzerindeki etkileri deincelenmiştir. Ayrıca, kompozit yayla ilgili elde edilen sonuçlar, eş değer geometriye sahip çelik heliselyaylardan elde edilen sonuçlarla kıyaslanmıştır. Çalışmanın nümerik analiz kısmında ANSYS yazılımıkullanılarak, yayların deformasyon değerleri ve kayma gerilmesi dağılımları belirlenmiştir. Elde edilensonuçlara göre, çelik yaylardan çok daha hafif olan karbon elyaf takviyeli ve KNT katkılı epoksi kompozit helisel yayların, hem deformasyon hem de kayma gerilmesi açısından üstün özellikler gösterdiğigörülmüştür.

Mechanical behavior of helical springs made of carbon nanotube additive epoxy composite reinforced with carbon fiber

In this study, mechanical behaviors of helical springs made of carbon nanotube (CNT) additive epoxy resincomposite reinforced with carbon fiber, instead of steel springs used vibration damping in machines, wereinvestigated. Especially, effect of CNT addition on the mechanical properties of carbon fiber reinforced epoxy composite springs were examined. Firstly design parameters related to dimensioning of the helicalsprings were determined. For the analytical part, composite structures were obtained with addition of CNTof 0.00 %, 0.05 %, 0.10 % and 0.15 % into epoxy resin and reinforcing with carbon fiber. Mechanicalproperties of the composite structures (Young's moduli, shear modulus, Poisson ratio) were computed bymicromechanics. Also, in the study, effects of the spring wire diameters and the spring stiffness values on the design parameters were investigated. The results obtained for composite springs were also comparedwith those of the geometrically equivalent steel ones. In the numerical part of the study, deformation valuesand distributions of shear stress were determined by using ANSYS software. According to the obtainedresults, it was seen that carbon fiber reinforced and CNT additive epoxy composite springs, known as lighterthan steel springs, had better properties in terms of both deformations and shear stresses.

PDF

___

1. Fırat F.K, Eren A., Investıgatıon of FRP Effects on Damaged Arches in Hıstorıcal Masonry Structures, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 30 (4), 659-670, 2015.
2. Aricasoy O, Kompozit Sektör Raporu, http://www.ito.org.tr/Dokuman/Sektor/1-57.pdf Yayın tarihi Aralık 6, 2006. Erişim tarihi Ocak 15, 2016.
3. Abdul Budan D., Manjunatha, T.S., Carbon Fiber Reinforced Composite Coil Springs, Proc. of Int. Conf. on Advances in Industrial and Production Engineering, Kuala Lumpur, Malaysia, 17-21, 14-15 November 2011.
4. Ekanthappa J., Shankar, G.S., Amith, B.M., Gagan M., Fabrication and experimentation of FRP helical spring, International Conference on Advances in Materials and Manufacturing Applications, 012098. Bangalore, India, 2016.
5. Shende M.A.M., Gandhare S.N., Untawale S.P., Failure Analysis of Helical Coil Spring in Automobile System Using Finite Element Method, International Journal of Research in Science & Engineering. 2 (5), 1-17, 2016.
6. Choi B.L., Cho B.H., Numerical method for optimizing design variables of carbon-fiber reinforced epoxy composite coil springs, Composites Part B., 82, 42-49, 2015.
7. Chiu C.H., Hwan C.L., Tsai H.S., Lee W.P., An experimental investigation into the mechanical behaviors of helical composite springs, Composite Structures, 77, 331-340, 2007.
8. Çolakoğlu M., Damping and Vibration Analysis of Polyethylene Fiber Composite under Varied Temperature, Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, Turkish J. Eng. Env. Sci., 30, 351 - 357, 2006.
9. Chandra R., Singh S.P., Gupta K., Damping studies in fiber-reinforced composites-a review, Composite Structures, 46, 41-51, 1999.
10. The Official Magazine of the American Composites Manufacturers Association, New Demand for Specialty Fibers, http://compositesmanufacturingmagazine.com/2013/03 /new-demand-specialty-fibers/., Yayın Tarihi 2013, Erişim tarihi Aralık 12, 2015.
11. Sales R.J.F., Composite Materials Reinforced with Carbon Nanotubes, Master Thesis, Technical University of Lisbon, Department of Civil Engineering and Architecture, Lisbon, 2013.
12. Yavari F., Rafiee M.A., Rafiee J., Yu, Z.Z., Koratkar N., Dramatic increase in fatigue life in hierarchical graphene composites, ACS applied materials & interfaces, 2 (10), 2738-2743, 2010.
13. Akkurt M., Yaylar Makine Elemanları, Birsen Yayınevi, İstanbul, Türkiye, 1, 441-502, 1984.
14. Black P., Machine Design, 6th Edition, McGraw Hill International Student Edition, Michigan, U.S.A., 803- 870, 2001.
15. Samuel A., Weir J., Introduction to Engineering Design: Modelling, Synthesis and Problem Solving Strategies, 2nd Edition, Butterworth-Heinemann, Melbourne, U.K., 136-139, 1999.
16. Türk Standartları Enstitüsü, Bölüm 7. Müşterek Veriler, Aşırı basınca karşı koruma için emniyet cihazları, (TS EN ISO 4126-7) https://intweb.tse.org.tr/standard/standard/Standard.asp x?081118051115108051104119110104055047105102 12008811104311310407310107810911005108405207 1074100085., Yayın Tarihi 2005, Erişim tarihi Kasım 02, 2015
17. Thostenson Erik T., Chou T.W., On the elastic properties of carbon nanotube-based composites: modelling and characterization. Journal of Physics D: Applied Physics, 36 (5), 573, 2003.
18. Rafiee M.A.J., Wang Z., Song H., Yu Z.Z., Koratkar N., Enhanced Mechanical Properties of Nanocomposite at Low Graphene Content, ACS Nano, 3 (12), 3884-3890, 2009.
19. Halpin J.C., Kardos J.L., Halpin-Tsai Equations: A review, Polymer Engineering and Science, 16 (5), 344- 352, 1976.
20. Robert M.J., Macromechanical Behavior of Lamina, Mechanics of Composite Materials, Second Edition, Taylor & Francis Inc., Philadelphia, U.S.A., 54-186, 1999.
21. Acar V., Akbulut H., Sarikanat M., Seydibeyoglu M.Ö., Seki Y., Erden S., Karbon Elyaf Takviyeli Prepreg Kompozitlerde Arayüzey Mekaniğinin Karbon Nanoyapı Katkısıyla İyileştirilmesi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 10 (3),43-51,2013.
22. Santos C.S., Gabriel B., Blanchy M., Menes O., García D., Blanco M., Neto V., Industrial applications of nanoparticles-a prospective overview, 5th International Conference on Advanced Nano Materials, 456-465 Aveiro, Portugal, 2015.
23. ANSYS® Workbench, Release 16.1, Help System, Mechanical Analysis Guide, ANSYS Inc., 2016 . 24. MATLAB Version 8.1.0.604, The MathWorks Inc, 2013.