Effects of Fiber Discontinuity in Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites

Abstract

Bu tez, cam elyaf takviyeli kompozit plakaların mekanik davranışları üzerindeki yapısal süreksizliklerin etkisini araştırmaktadır. Bu süreksizlikler, kompozit mikro yapısındaki geometrik kısıtlamalar nedeniyle katmanlar arası (inter-ply) ve katman içi (intra-ply) olarak sınıflandırılmıştır. Süreksizlikler kürleme öncesi ilave edilmiştir. İlk olarak, malzeme özellikleri kupon seviyesinde testlerle belirlenmiştir. Daha sonra, bilgisayarlı sayısal kontrol kesimi ve manuel uygulama ile katman içi süreksizlikler oluşturularak iki tam ölçekli kompozit numune üretilmiştir. Bu numunelerin mekanik özellikleri, servo-hidrolik aktüatörler kullanılarak üç nokta eğme testi ile değerlendirilmiştir. Deneysel test sonuçları, kesitsel fiber hacim oranı değerlendirilerek CAE analiz tahminleriyle karşılaştırılmış ve yerel süreksizliklerin mikroskopik analizi ile desteklenmiştir. Çalışma, yer değiştirme bölgelerinin reçine açısından zengin alanlara yol açtığını ve ekzotermik kürleme sürecinin reçinenin rengini şeffaftan sarıya dönüştürdüğünü, bunun da mekanik dayanıklılığı azalttığını ortaya koymuştur. Ayrıca, fiber süreksizlikleri ve reçine boşlukları, cam elyaf takviyeli polimer (GFRP) kompozit yaprak yayların yapısal bütünlüğünü olumsuz etkilemektedir. Üretim sürecindeki düzensizlikler, malzeme dayanıklılığını ve boşluk doldurma kapasitesini etkilemektedir. Isı transferi ile ilgili sorunların ele alınması, reçine boşluklarını ve ısı kaynaklı çatlakları azaltmak için önemlidir. Bulgular, iç yapısal kusurlar ve reçine boşlukları arasındaki ilişkiyi anlamanın, kiriş tasarımı ve üretim süreçlerini önemli ölçüde iyileştirebileceğini önermektedir. Bu çalışma, mühendislik uygulamalarında kompozit malzemelerin yapısal performansını ve güvenilirliğini optimize etmek için kritik bilgiler sunmaktadır.

This dissertation examines how structural discontinuities affect the mechanical properties of composite beams reinforced with glass fibers. The study explicitly classifies these discontinuities as inter-ply or intra-ply based on discontinuity types within the composite layers. Discontinuities were introduced as pre-curing. The mechanical properties of these samples were evaluated using servo-hydraulic actuators in three-point bending quasi-static tests. The experimental results were compared to the predictions of CAE analysis by assessing the sectional fiber volume fraction and further complemented with microscopic analysis of local discontinuities. The study found that areas of dislocation lead to zones with a high concentration of resin, and the exothermic curing process causes increased temperatures. As a result, the resin changes color from clear to yellow, indicating decreased mechanical durability. Fiber discontinuities and resin gaps weaken the structural integrity of glass fiberreinforced polymer (GFRP) composite leaf springs. Irregularities in manufacturing, whether between layers or within a single layer, can impact the durability of the material and its ability to fill gaps. The findings highlight the significance of material composition, structural integrity, and comprehension of failure mechanisms in the design and production of composite beams. It is essential to address heat transfer concerns to reduce resin gaps and prevent fractures caused by heat. The results indicate that understanding the relationship between internal structural flaws and gaps in the resin can greatly improve the design and production of beams. This study offers crucial insights for enhancing composite materials' structural performance and dependability in engineering applications.