Design of Cnt Fiber Reinforced Laminates for Minimum Weight

Abstract

Kompozit malzemeler günümüzde üretim ve uygulamalardaki yüksek işlevsellikleri nedeniyle birçok alanda yer bulmaktadır. Özellikle, yüksek performans özellikleri kazandırmak amacıyla kompozit güçlendirme malzemesi olarak Karbon Nanotüplerin (CNT) kullanımına olan ilgi giderek artmaktadır. Bu tezde 16 katmanlı, simetrik ve dengeli CNT-fiber takviyeli kompozit laminalar minimum ağırlık tasarımı için incelenmiştir. Yenilik olarak, klasik lamina teorisi dahilinde tanımlanan burkulma problemi bağlamında iki farklı minimum ağırlık tasarım yaklaşımı iki farklı problem altında sunulmuş ve karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma kritik burkulma yükü faktörünün ağırlığa oranı şeklinde tanımlanan dizayn verimliği kriteri üzerinden yapılmıştır. Tek ve çok amaçlı genetik algoritmalar kullanılmış; ayrıca tam sayı problemlerine uyarlanmış önerilen bir benzetilmiş tavlama algoritması da test edilmiştir. CNT'lere ek olarak epoksi matris, cam fiber malzemelerinden oluşan laminanın etkin malzeme özellikleri fiber mikromekanik ve Halpin-Tsai modelleri kullanılarak belirlenmiştir. İlk problemde, kritik burkulma yükü faktörünün maksimize edilmesi için çözüme geçmeden önce her bir katmanda CNT ve fiber içerikleri fonksiyonel olarak dağıtılmış, tam sayı fiber açıları ise tasarım değişkenleri olarak alınmıştır. İkinci problemde, kritik burkulma yükü faktörü ve ağırlık çok amaçlı optimizasyon olarak ele alınmış, CNT'lerin ağırlık oranı, fiberlerin hacim oranı ve tam sayı fiber açıları tasarım değişkenleri olarak kullanılmıştır. Sonuç olarak, CNT'lerin ve fiberlerin dağılımının tasarım etkinliğini nasıl etkilediği gösterilmiş ve çok amaçlı optimizasyon yaklaşımın tek amaçlı alternatife kıyasla daha yüksek tasarım verimliliği sağladığı ortaya konulmuştur.

Composite materials nowadays find their place in many fields due to their high functionality in production and applications. In particular, there have been a growing interest in the use of Carbon Nanotubes (CNTs) as composite reinforcement material in order to impart high performance properties. In this thesis 16-ply, symmetric and balanced, CNT-fiber-reinforced composite laminate was studied for minimum weight design. As a novelty, different minimum weight design approaches were presented and compared as two different problems within the context of buckling problem based on the classical laminate theory. Single- and multi-objective genetic algorithms were used, a proposed simulated annealing algorithm adapted to integer-problems was tested as well. The effective material properties of the laminate were determined by using fiber micromechanical and Halpin-Tsai models simultaneously for epoxy, glass materials that were used as matrix, fibers, respectively, in addition to CNTs. Critical buckling load factor to weight ratio was considered as design efficiency criterion used in evaluation. In the first problem, the maximization of the critical buckling load as a single-objective problem with the discrete fiber angles as design variables. In this problem, the CNT and fiber contents were considered as functionally distributed in each ply. In the second problem, critical buckling load factor and weight were taken as two objectives, in which weight fraction of CNTs and volume fraction of fibers in addition to discrete fiber angles were taken as design variables. Finally, it was demonstrated how distribution of CNTs and fibers influence the design efficiency, and that multi-objective approach provides higher design efficiency in comparison with the single-objective alternative.