Güneş Enerjili Araç Şasisinde Kompozit Levha Kullanımı

  • Kompozit Kimyasalları ve Ürünleri
  • Ziyaret: 1353
  • kompozit levhala
  • Son Güncelleme: 6-11-2015
  •  
    Share on Tumblr       


 Yrd. Doç. Dr. Aytaç Gören / Makina Mühendisliği - Dokuz Eylül Üniversitesi

 Yusuf Can Arslan / Lisans Öğrencisi - Makina Mühendisliği Dokuz Eylül Üniversitesi

Özet

Kompozit levhalar sahip oldukları avantajlarıyla uzay ve havacılıktan otomotive, denizcilikten inşaata kadar birçok sektörde kullanılmaktadır. Kompozit levhalar sadece lif ve reçine bileşiminden oluşan tabakalı yapılardan üretilebileceği gibi çeşitli çekirdek (core) malzemelerin kullanılmasıyla

da sandviç yapılar şeklinde de üretilebilir. Bu makalede karbon fiber takviyeli sandviç yapısındaki kompozit levhalar incelenmiştir. Makalede anlatılan kompozit levhalar güneş enerjisiyle çalışan DesTech Solaris isimli aracın şasi yapımında kullanılmıştır. Üretilen farklı yapıdaki kompozit levhaların dayanımları gerek sonlu elemanlar metoduyla yapılan analizler gerekse deney sistemleriyle ıncelenmiştir.

 

Giriş

Kompozit levhanın niteliklerini; kullanılan takviye malzemesinin (fiber) ve matris malzemesinin özellikleri, yapıdaki fiber/matris oranı, fiber-matris ara yüzeyindeki yapışma kabiliyeti ve takviye malzemesinin matris içindeki oryantasyonu belirler.

 

Takviye Malzemesi

Kompozit yapılarda takviye malzemesinin temel fonksiyonu yük taşımaktır. Takviye malzemesi olarak kullanılan fiberler 3500 MPa (500ksi) değerine kadar çekme dayanımına karşılık, matris olarak kullanılan reçinelerde bu değer genellikle 35-70 MPa değerleri arasında değişmektedir. Şekil 1’de verilen bir kompozit yapıdaki gerilme-şekil değiştirme diyagramında da yapıdaki dayanımının büyük kısmının takviye malzemesinden kaynaklandığı görülmektedir. Takviye malzemelerinde yük fiberler boyunca taşınmaktadır. Fiberlerin uzanmadığı yönlerde ise yük daha düşük dayanıma sahip olan matris malzemesi aracılığıyla taşınmış olur. Yükün taşınması istenen açıya göre tek yönlü (unidirectional 0 derece), iki yönlü (biaxial +/-45 derece ve 0/90 derece) ya da daha fazla yön içerecek şekilde (multiaxial 0/+45/-45-90) dokunmuş olan takviye kumaşı tercih edilir. Böylece kompozit malzemenin istenen yönde dayanıma sahip olması sağlanmış olur.



Takviye türleri olarak yapılan çalışmalarda ağırlıklı olarak karbon elyafının tercih edilmesinin yanında cam ve aramid elyafları da kullanılmıştır. Levhada kullanılan takviye malzemesi doğrudan levhanın dayanımını etkilemektedir. Şekil 2’de seçilen malzemeye göre elyafların çekme dayanımları gösterilmektedir.



Çekirdek Malzemesi

Çekirdek (Core) malzemeleri genellikle sandviç yapıların üretiminde kullanılır. Yüksek mukavemetli ve daha ince yapıdaki iki kompozit tabaka arasında çekirdek olarak yer alırlar. Kullanım amacı düşük yoğunluklu malzemeler kullanılarak kompozit yapıya kalınlık ve direngenlik sağlanmasıdır. Bu malzemeler yüksek mukavemetli alt ve üst yüzeylere (tabakalara) yük transferini bir yüzeyden diğerine aktarabilecek güçlü yapıştırıcılar ile bağlanırlar. Bu çalışmada PVC Köpük ve Balsa çekirdek malzemeleri incelenmiştir.

 

Şasi Yapılandırması

Güneş enerjili ve elektrikli araç gibi verimliliğin ön planda olduğu araçlarda kullanılan yapıların düşük ağırlığa sahip olması gerekmektedir. Aynı zamanda bu araçların katıldıkları yarışlarda 100 km/sa ortalama 170 km/sa maksimum hızlara çıkabildikleri düşünüldüğünde mukavemeti yüksek bir şasi ihtiyacı doğmaktadır. Yapılan testler sonucunda karbon fiber takviye malzemesi kullanılarak yapılan kompozit levhalar hafiflik ve dayanım açısından en uygun sonuçları vermiştir. ANSYS 16.0 Workbench yardımıyla şasi yapısı analiz edilmiştir. Aracın ağırlığının beş katı büyüklüğünde (5mg, yaklaşık olarak 15kN) bir kuvvetle teorik olarak çarpışmasının sonuçları incelenmiştir. Bu inceleme sonucunda da plakalarda oluşan gerilmeler güvenli seviyeye getirebilmek için takviye malzemesinin katmanlarının daha fazla olmasına ya da çekirdek malzemenin değiştirilmesine karar verilmiştir.



Yapılan analiz sonucunda aracın ön kısmından etkileyecek 15kN büyüklüğünde bir kuvvet sonucunda üretilen kompozit levhada meydana gelecek maksimum gerilme 859 MPa olarak hesaplanmıştır. Bu yapıyı emniyetli hale getirebilmek için kompozit levhalara yapılan deneyler sonucunda üç tabaka karbon fiber-balsa çekirdek malzemesi-üç tabaka karbon fiber sandviç yapısı aracın ön kısmında tercih edilmiştir. Ayrıca aracın mekanik aksam bağlantı noktalarında da aynı yapıdaki sandviç levha kullanılmış ve meydana gelecek dinamik zorlanmaların üstesinden gelmek ve malzemede meydana gelecek ezilmeleri engellemek amaçlanmıştır. PVC köpük gibi esnek malzemelerin civata bağlantılarında ezildiği ve Balsa ağacına göre daha kolay hasara uğradığı tecrübe edilmiştir.



Şasi Üretimi ve Araç Gövdesiyle Birleşimi

Kompozit levhaların belirli ölçülerde üretilmesinin ardından, bu levhalar bilgisayar destekli yapılan tasarıma uygun şekilde su jeti tezgahı kullanılarak hassas bir şekilde aracın parçaları haline getirilir. Montajda kolaylık olması açısından kesilen parçalar birbirine uygun olarak geçebilecek şekilde tasarlanmıştır. Şasi parçalarının kesilmesinin ardından parçacık takviyeli epoksi yapıştırıcılarla şasi bir bütün haline getirilerek aracın alt gövdesiyle de aynı yapıştırıcılarlabirleştirilir. Sonuç olarak aracın alt gövdesi ve şasisi bütün bir yapı oluşturur. Bu yapıya monokok ismi verilmektedir.



Yapılan Deneyler ve Sonuçları

200 gr/m2’lik, 0-90 lif açılarına sahip karbon fiber takviye kumaşı ve epoksi reçine matrisiyle üretilmiş bir numune ASTM standartlarına uygun biçimde çekilmiştir. Çekme deneyi sonucunda Tablo 1’de gösterilen veriler ve Şekil 7’de gösterilen çekme kuvveti-uzama diyagramı elde edilmiştir.