Eksenel yönde fonksiyonel derecelendirilmiş kısa kirişlerin burkulma ve serbest titreşim analizi

Abstract

Bu doktora tezinde, eksenel yönde tabakalı olarak fonksiyonel derecelendirilmiş (FD) dikdörtgen kesit alanına sahip kısa kirişlerin burkulma ve serbest titreşim davranışı sayısal ve deneysel olarak değişik sınır şartları altında incelenmiştir. Kirişler % 99.8 saflıkta Alüminyum (Al) ve %99.9 saflıkta Silisyum Karbür (SiC) tozlarının farklı ağırlık oranları kullanılarak toz metalurji yöntemi ile üretilmiştir. Eksenel yönde tabakalı FD kirişlerin her bir tabakasına ait Elastisite Modül ve Maksimum Çekme Gerilme değerlerini bulabilmek için farklı Al ve SiC içeriğine sahip homojen kirişler üretilmiş ve bu kirişler çekme gerilme testine tabi tutulmuştur. Test sonucunda maksimum Elastisite Modül ve Çekme Gerilme değerlerinin %15 SiC içeriğine sahip kirişe kadar yükseldiği, daha yüksek SiC içeriğine sahip kirişlerde ise düşüş eğilimine geçtiği görülmüştür. Dolayısıyla burkulma ve titreşim analizlerinde maksimum %15'e kadar SiC içeren kiriş numuneleri değerlendirmeye alınmıştır. Ayrıca kirişlerin yoğunluk hesaplamaları deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Kirişlerin deneysel burkulma ve serbest titreşim analizleri sırasıyla INSTRON 8801 test cihazı ve DEWESoft™ titreşim ölçüm cihazı DEWE-43A ile gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçların doğruluğunu tespit etmek için tüm kirişler Timoshenko kiriş teorisine göre ABAQUS® ve ANSYS® sonlu elemanlar programlarında modellenmiş ve sayısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sayısal sonuçlar deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçlarına göre burkulma analizinde maksimum % 46,6739 ve serbest titreşim analizinde ise %13 fark gözlemlenmiştir. Sonuçlar arasında meydana gelen farklılıkları belirleyebilmek için farklı %SiC içeriğine sahip homojen ve tabakalı kirişlerin sertlik deneyleri, taramalı elektron mikroskop (SEM) ve optik mikroskop analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre %Al ve %SiC ağırlık oranlarındaki derecelendirmenin ve tabaka sıralanışının kirişlerin burkulma davranışı ile temel frekansına olan etkileri açıklanmaya çalışılmıştır. Bu tezde sunulan tüm sonuçlar Al ve SiC sistemleri kullanılarak yapılan FD kirişler hakkında bilgi elde edinmek için referans olarak kullanılabilir.

In this Ph.D. thesis, buckling and free vibration behaviors of axially layered functionally graded (FG) short beams with a rectangular cross section are investigated numerically and experimentally under various boundary conditions. The beams are produced by powder metallurgy technique using different weight fractions of 99.8 % pure Aluminum (Al) and 99.9 % pure Silicon Carbide (SiC) powders. In order to determine Elastic Modulus and Maximum Tensile Stress values of each layer of axially layered FG beams, homogeneous beams consist of different Al and SiC content are fabricated and these beams are subjected to tensile testing. According to the test results, it is observed that Maximum Elastic Modulus and Tensile Stress values increase up to 15% SiC content beam sample and decrease for beams that have higher %SiC content than 15%. Therefore, the beams containing up to 15% SiC are evaluated for buckling and vibration analysis. In addition, the beam density calculations are performed experimentally. Experimental buckling and free vibration analysis of the beams are carried out by INSTRON 8801test device and DEWESoftTM vibration measurement instrument DEWE-43A, respectively. In order to detect the accuracy of experimental results, all beams are modeled according to Timoshenko beam theory in ABAQUS® and ANSYS® finite element based programs and numerical analysis are performed. Numerical results obtained are compared with experimental results. According to the comparison of results, maximum 46,6739 % difference for buckling analysis and 13% difference for free vibration analysis are observed. In order to determine differences occurred between results, hardness experiments, scanning electron microscope (SEM) and optical microscope analysis of homogeneous and axially layered FG beams are performed. According to the analysis results, effect of gradation of %SiC weight fractions and arrange in order of layers to buckling behavior and fundamental frequency of the beams are tried to be explained. All results presented in the thesis can be used as a reference to obtain information about FG beams made of Al and SiC systems.