Fonksiyonel derecelendirilmiş gözenekli sandviç kirişlerin statik ve serbest titreşim analizi

Abstract

Fonksiyonel olarak derecelendirilmiş sandviç malzemeler, çeşitli yapı elemanlarının yapımında kullanılan kompozit malzemelerdir. Bu yapı elemanları gemi sanayisi, denizcilik, otomotiv, yüksek bina yapıları ve enerji mühendisliği uygulamaları ve daha birçok alanda kullanılmaktadır. Sonlu elemanlar yöntemi, açıklığı boyunca düzgün yayılı yüke maruz kalan fonksiyonel derecelendirilmiş gözenekli (FGP) sandviç kirişlerin statik davranışını analiz etmek için kullanılmıştır. Çubuğun çekirdeği fonksiyonel derecelendirilmiş gözenekli malzemeden, üst ve alt tabakaları ise izotropik homojen malzemelerden yapılmıştır. Üniform ve simetrik gözenekli malzeme dağılımları, iki farklı gözenekli malzeme çeşidi olarak kullanılmıştır. ANSYS programında BEAM189 elemanı kullanılarak kayma deformasyon etkisi dikkate alınmıştır. Bu sonlu eleman, birinci mertebeden kayma deformasyon teorisine dayanmaktadır. Gözeneklilik katsayısının, sınır koşullarının ve gözenekli malzemenin türünün, ele alınan alınan yapı elemanların statik davranışı üzerindeki etkisi ayrıntılı olarak sunulmuştur. Sonuçlar, gözeneklilik katsayısının FD sandviç kirişlerin statik analizi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Bu malzemelerin gözenekli olması rijitlik ve mukavemet gibi bazı davranışsal yönleri ve özellikleri olumsuz etkileyebilir, ancak titreşim azaltma, termal izolasyon, enerji absorbsiyonu ve diğer özellikler gibi diğer alanlarda üstün performans sağlayabilir. Porozitenin ele alınan sandviç kirişlerin dinamik davranışları üzerindeki etkisinin araştırılması, hesaplanan serbest titreşim frekanslarının yorumlanması ile gerçekleştirilmiştir. FD sandviç kirişlerinin mekanik özellikleri kalınlık boyunca porozite katsayına bağlı olarak değiştmektedir. Bu katsayının serbest titreşim frekansları üzerinde etkisi detaylı bir şekilde incelenmiştir. Dört adet farklı mesentli kiriş (ankastre- ankastre, sabit-sabit, ankastre -serbest, ankastre- sabit) için analizler gerçekleştirilmiştir. Gözeneklik katsayısına ise (0,1 – 0,9) arasında değerler verilerek 4 gruptan oluşan toplam 264 kiriş örneği analiz edilmiştir. Simetrik tabakalı durumunda her gözeneklik dağılımı (üniform ve SMCR) için 44 model, simetrik olmayan tabakalanma durumu için 44 model ve PLANE183 sonlu elemanı için de 44 model oluşturulmuştur. Dinamik analizden elde edilen sonuçlar, gözeneklilik sabitinin FD gözenekli sandviç kirişlerin doğal frekansları üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir.

Functionally graded sandwich materials are composite materials used to build a variety of structures. These structures are used in ships industries, marine, automotive, high building structures, energy engineering applications, and many more. Finite element method is used to analyze the static response of the functionally graded porous (FGP) sandwich beam is subjected to uniformly distributed load along the beam span. The core of the beam is made from functionally graded porous material while the top and bottom layers are made from isotropic homogenous materials. Uniform distribution and symmetric material constitutive relationships (SMCR) are used as two different types of porous material. Shear deformation is considered in the analysis by utilizing beam189 in ANSYS which is a finite element package program. This element method is based on the first-order shear deformation theory. The influence of porosity coefficient, boundary conditions, and type of the porous material on the static response for the considered structures is presented in details. The results demonstrate that the porosity coefficient has an important impact on the static response of the FGP sandwich beams. The porosity made in these materials may negatively affect some of behaviour aspects and properties like stiffness, and strength, nonetheless it may provide superior performance in other fields like vibration reduction, thermal isolation, energy absorption, and others characteristics. A discussion based on dynamic analysis theories is performed about the effect of porosity on the measured natural frequencies for functionally graded porous (FGP) sandwich beams. The mechanical properties of the FGP sandwich beams are mutually changing with the porosity in the thickness direction. The free vibration of the beam is examined with the effect of porosity variations. The analysis is carried out for four different beam supporting types (pinned–pinned, fixed – fixed, fixed – free, fixed–pinned). Various porosity ratios are considered with a range from (0.1 – 0.9). Total of two hundred sixty – four beam's samples divided to four groups. Forty–four samples are analyzed for each type of core material distribution which is the symmetric material constitutive relationships (SMCR), and uniform core material in addition to forty-four samples for nonsymmetric cross section materials, and forty – four beams for Plane183 method. The results obtained from the dynamic analysis show that the porosity constant has a significant effect on the natural frequencies of the FGP sandwich beams.