Design, advanced manufacturing, and performance evaluation of optical sensor-integrated laminated composite monoleaf springs for heavy commercial vehicles: A numerical and experimental study
Ağır ticari araçlar için optik sensör entegreli lamine kompozit tek katlı yaprak yayların tasarımı, ileri üretimi ve performans değerlendirmesi: Sayısal ve deneysel bir çalışma
- Tez No: 1000799
- Danışmanlar: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN, PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Automotive Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Kompozit kirişler, Kompozit malzemeler, Kompozit polimerler, Kompozit yapılar, Kompozitler, Composite beams, Composite materials, Composite polymers, Composite structures, Composites
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Otomotiv sektörü, günümüzde, enerji verimliliği ve çevresel sürdürülebilirlik hedefleri doğrultusunda büyük bir dönüşüm sürecinden geçmektedir. Bu dönüşümün temelinde, daha verimli ve sürdürülebilir çözümler üretme ihtiyacı yer almaktadır. Küresel çapta elektrikli araçlar ve alternatif yakıt teknolojilerine olan yönelim, araç ağırlığını azaltma ihtiyacını giderek daha kritik bir hale getirmiştir. Ağırlığı azaltma, yakıt verimliliğini artırmanın, CO2 emisyonlarını düşürmenin ve araç performansını iyileştirmenin önemli yollarından biridir. Binek araçlardan farklı olarak, ticari araçlarda hafifletme sadece yakıt ekonomisini geliştirmekle kalmaz; aynı zamanda faydalı yük kapasitesini artırarak operasyonel verimlilik, çevresel sürdürülebilirlik ve maliyet avantajları sağlar. Araç ağırlığındaki azalımlar, daha fazla yük taşıma kapasitesi anlamına gelirken, bu durum lojistik şirketleri ve filo operatörleri için rekabet avantajı yaratır. Bu gereklilikler doğrultusunda, polimer matrisli kompozit (PMK) malzemeler, çelik ve alüminyum gibi geleneksel malzemelere kıyasla sundukları yüksek dayanım-ağırlık oranları, korozyon direnci, tasarım esnekliği ve üretim süreçlerine entegrasyon kabiliyetleri sayesinde cazip bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Ayrıca, PMK malzemeler, enerji emilimi ve titreşim sönümleme özellikleri ile kritik yapısal uygulamalarda performansı artırmakta ve araçların genel verimliliğine doğrudan katkı sağlamaktadır. Havacılık ve savunma sanayinde geniş bir uygulama alanı bulmuş olan bu malzemeler, otomotiv sektöründe de giderek daha fazla dikkat çekmektedir. Ancak, dinamik yük taşıma gereksinimleri, maliyet etkinliği ve yüksek hacimli üretim politikaları gibi faktörler, PMK malzemelerin kritik yapısal bileşenlerde kullanımının yaygınlaşmasını yavaşlatmıştır. Bu tez, ağır ticari araçların süspansiyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılan yaprak yayların Tek Yönlü (UD- Unidirectional) Sürekli Cam Elyaf Takviyeli Polimer (GFRP - Glass Fiber Reinforced Polymer) Prepreg malzemelerle üretimi ve performansının değerlendirilmesine odaklanmaktadır. Yaprak yaylar, dinamik yükler altında çalıştıkları için genellikle değişken kesit geometrisine sahiptir. Bu geometrik karmaşıklık, UD-GFRP tek katlı yaprak yayların ağır ticari araçlarda kullanımı önünde tasarımından üretimine kadar çeşitli zorluklar yaratmaktadır. Bu kapsamda kalın kompozit kirişlerin üretim, modelleme ve deneysel çalışmalar ile doğrulanması süreçleri çalışılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, metrekare başına 300 gram (GSM - Gram per Square Metre) ağırlığa sahip, tek yönlü sürekli cam fiber takviyeli epoksi reçineli prepreg malzemeler kullanılarak sabit kalınlıkta lamine UD-GFRP kirişler üretilmiştir. Bu düşük GSM değerleri, düz UD-GFRP kirişlerin üretimi için özellikle tercih edilmiştir. Ancak, değişken kesitli tek katlı yaprak yayların üretim süreçlerinde, daha yüksek GSM değerleri (600 GSM ve 1000 GSM) kullanılarak malzemenin hem mekanik performansı artırılmış hem de üretim süreci optimize edilmiştir. Bu üretim sürecinde, sıcak preste ısıl şekillendirme yöntemi tercih edilmiş ve malzemenin düzgün bir şekilde lamine edilebilmesi için spesifik basınç ve sıcaklık parametreleri belirlenmiştir. Bu süreç, UD-GFRP kirişlerin hem mekanik performansını hem de yapısal dayanıklılığını optimize etmek için kritik bir adım olarak değerlendirilmiştir. Bu kapsamında 600 GSM prepreg kullanılarak yapılan değişken kesitli PMK üretimleri sonrası, ekzotermik reaksiyonların malzeme mekanik özellikleri üzerindeki etkisini incelemek adına, prototiplerden kesit boyunca kupon numuneler çıkarılmış ve bu numunelerin mekanik özellikleri detaylı bir şekilde karakterize edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, kalın UD-GFRP yapılar içerisinde belirgin bir anizotropik yapı sergilendiğini göstermiştir. Bu üretim sürecinde, malzemenin mekanik özelliklerini anlamak ve tasarıma uygun malzeme karakterizasyonu yapmak üzere deneysel ve sayısal çalışmalar yürütülmüştür. Malzemenin kür kinetiği, Yüksek Basınçlı Dinamik Taramalı Kalorimetri (HP-DSC - High Pressure Dynamics Scanning Calorimetry) analizi ile detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu analizler, malzemenin üretim sürecindeki ekzotermik reaksiyonlarını ve sıcaklık dağılımını ortaya koymuştur. HP-DSC analizi sırasında, numunelerin belirli sıcaklık aralıklarında davranışları incelenmiş ve kürleme sırasında gözlenen ekzotermik reaksiyonların, özellikle kalın numunelerde belirgin bir sıcaklık artışına yol açtığı tespit edilmiştir. Bu veriler, sıcaklık kontrol stratejilerinin oluşturulmasında temel bir referans sağlamıştır. Laboratuvar ölçeğinde gerçekleştirilen ilk malzeme karakterizasyon çalışmaları, kupon numuneler üzerinden yapılmış ve bu numunelerin mekanik özellikleri detaylı şekilde değerlendirilmiştir. Ancak bu küçük ölçekli numunelerin, gerçek parça üretim sürecindeki ekzotermik reaksiyonlar ve boyuta bağlı doğabilecek kalite etkileri gibi etkileri tam olarak yansıtamadığı tespit edilmiştir. Bu nedenle, gerçek parça boyutlarına yakın (1600 mm uzunluk ve 100 mm genişlikte) üç farklı kalınlıkta (52, 60 ve 70 mm) numuneler üretilmiştir. Bu büyük boyutlu numuneler hem yapısal performansını değerlendirmek hem de üretim metodolojilerini iyileştirmek üzere test edilmiştir. Bu kapsamda, Fiber Bragg Izgaraları (FBG - Fiber Bragg Grating) sensörleri ve termokupllar (TCs-Thermocouples) gibi gömülü sensörler ile üretilen prototipler, gerinim ve sıcaklık verilerini gerçek zamanlı olarak izleme olanağı sunmuştur. Özellikle, üretim sürecindeki ekzotermik reaksiyonların etkisi, malzeme mekanik özelliklerine olan etkilerinin anlaşılmasına yönelik detaylı analizler yapılmıştır. FBG sensörlerin yüksek hassasiyeti, üretim sürecinde gerinim ve sıcaklık farklılıklarının izlenmesini kolaylaştırmıştır. Üretim sırasında 70 mm kalınlığındaki UD-GFRP kirişlerde gömülü sensörler yardımıyla, üretim parametrelerinin ve sıcaklık dağılımlarının malzeme yapısına etkisi değerlendirilmiştir. Üç farklı kalınlıkta sensörsüz UD-GFRP lamine kiriş prototiplerine ek olarak, 70 mm kalınlığındaki UD-GFRM lamine kirişlerde farklı prototipler üretilmiştir. Bu prototiplerden bazılarına belirli prepreg katmanları arasına yalnızca FBG sensörleri, diğerlerine ise yalnızca TCs sensörleri yerleştirilmiştir. Böylece, her iki sensör türünün bağımsız olarak sağladığı verilerin analiz edilmesine olanak tanınmıştır. İç gerilmeler ve sıcaklık farklılıkları gibi kritik veriler, sıcaklık kontrol stratejilerinin geliştirilmesine olanak tanımıştır. Yağ ısıtıcılı pres kullanılarak üretilen bu prototiplerde, kalıp yüzey sıcaklığı 130 °C olarak ayarlanmasına rağmen, malzemenin merkez sıcaklığının 200 °C' ün üzerine çıktığı gözlemlenmiştir. Bu durum, üretim sürecindeki sıcaklık kontrolünün kritik bir parametre olduğunu ortaya koymuştur. Ek olarak, kalın yapılar içinde oluşan sıcaklık gradyanlarının malzeme içindeki gerilmelere etkisi, termal analitik modellerle de değerlendirilmiştir. Bu analizler, özellikle kalın PMK yapılar için uygun kürleme protokollerinin oluşturulmasına katkı sağlamıştır. Düz UD-GFRP kirişler, üç nokta eğilme testiyle test edilmiş ve hem deneysel hem de sonlu elemanlar yöntemi (FEM - Finite Element Method) ile modellenmiştir. Testlerde, rijitlik, yük taşıma kapasitesi ve gerinim davranışı gibi parametreler detaylı bir şekilde değerlendirilmiştir. Özellikle, FEM analizleriyle deneysel sonuçların uyumluluğu sağlanmış ve PMK malzemelerin mekanik performansını iyileştirme potansiyeli gözler önüne serilmiştir. FEM analizlerinde, yapısal deformasyonların ve gerinim dağılımlarının detaylı bir şekilde incelenmesi sağlanmış; bu da malzemenin sınır yükler altındaki davranışını daha iyi anlamaya olanak tanımıştır. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında, değişken kesitli tek katlı yaprak yayların tasarım ve üretim süreçleri ele alınmış ve bu yapılar için daha verimli prepreg serim metotları geliştirilmiştir. Yeni malzeme kompozisyonları ile elde edilen PMK yapılar hem statik hem de yorulma testlerine tabi tutulmuş ve 1 milyon çevrimi aşan dayanıklık testlerinden geçmiştir. Yorulma testlerinde, artan yükleme döngüleri boyunca FBG sensörler yardımıyla gerçek zamanlı gerinim verileri alınmış, bu sayede hem erken hasar tespiti yapılmış hem de iç gerinimlerin yapısal bütünlüğe etkisi daha detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Bu yöntem, yüksek hassasiyeti sayesinde test sırasında oluşan küçük deformasyonların bile tespit edilmesine olanak sağlamış ve malzeme performansının sınırlarını daha iyi anlamak için kritik veriler sunmuştur. Bu analizler, malzeme davranışını detaylı şekilde anlamayı sağlamış ve yapısal sağlık izleme (SHM - Structural Health Monitoring) teknolojilerinin uygulanabilirliğini göstermiştir. Test sırasında gözlemlenen gerinim anomalileri, yorulma kaynaklı iç hasarların tespiti açısından kritik bir veri sağlamıştır. Yorulma testlerinin sonucunda, PMK malzemelerin yüksek döngülü yükleme altında dayanıklılığını artırabilecek tasarım değişikliklerine yönelik öneriler geliştirilmiştir. Ayrıca, yorulma ömrünün uzatılması için prepreg tabaka yönelimleri ve fiber-matris ara yüzey iyileştirmeleri gibi tasarım parametrelerinin etkisi incelenmiştir. Üretim süreçlerinde ayrıca %0,2 oranında karbon nanotüp katkılı epoksi reçinelerin kullanımıyla geliştirilmiş prepreg malzemeler (1000 GSM) denenmiş ve üretim sürecinin daha verimli hale getirilmesi sağlanmıştır. 1000 GSM ile üretilen numunelerin malzeme analizlerinde ise DSC tabanlı Tg ölçümleri, fiber hacim oranı tayini, optik mikroskopi ile boşluk analizi ve X ray görüntüleme birlikte değerlendirilmiştir. Bu analizler, özellikle kalın merkez bölgesinde termal kürleme heterojenliği nedeniyle oluşan mekanik özellik gradyanlarını nicel olarak ortaya koymuştur. Bu kapsamlı kalite kontrol sonuçları, sonraki üretim fazlarında kalıp sıcaklık kontrol stratejilerinin ve basınç uygulama yöntemlerinin optimize edilmesini sağlamıştır. Bu yeni üretim parametreleri ile hem malzeme dayanımı artırılmış hem de üretim sırasında oluşan sıcaklık dalgalanmalarını minimize etmiştir. Üretilen yeni nesil UD-GFRP tek katlı yaprak yaylar, özellikle yüksek dayanıklılık gerektiren uygulamalarda güvenilir bir çözüm sunmuştur. Sonuç olarak, bu tez çalışması, PMK malzemelerin tasarımı, üretimi ve performans değerlendirilmesi konularında otomotiv sektörüne önemli katkılar sunmaktadır. Geliştirilen üretim süreçleri sayesinde malzemelerin mekanik özellikleri optimize edilirken, uzun vadeli dayanıklılıkları ve yüksek sıcaklık-basınç koşullarındaki performansları da önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Ayrıca, SHM teknolojileri ile entegrasyon, PMK malzemelerin gerçek zamanlı veri toplama kapasitesini artırarak, akıllı kompozit yapıların otomotiv sektöründe yaygınlaşmasını sağlamıştır. Örneğin, FBG sensörler aracılığıyla anlık gerinim ölçümleri yapılabilmesi, araçların operasyonel güvenliğini artırmış ve bakım süreçlerini daha öngörülebilir hale getirmiştir. Bu çalışmalar, otomotiv endüstrisinde akıllı kompozit malzemelerin kullanımına öncülük eden yenilikçi bir zemin oluşturmuştur. Örneğin, geliştirilmiş üretim süreçleri sayesinde hem malzeme dayanımı optimize edilmiş hem de yüksek sıcaklık ve basınç koşullarındaki performansı iyileştirilmiştir. Ayrıca, yorulma testlerinden elde edilen veriler, malzemenin uzun vadeli dayanıklılığını artırmaya yönelik tasarım iyileştirmelerine yol açmıştır. SHM teknolojileri ile entegrasyon ise, bu malzemelerin daha akıllı ve güvenilir otomotiv bileşenlerinde kullanılmasının önünü açmıştır. Elde edilen bulgular, geleneksel üretim metodolojilerinin iyileştirilmesiyle sınırlı kalmayıp, aynı zamanda kompozit malzeme kullanan yeni nesil akıllı yapıların geliştirilmesine olanak tanımıştır. Yorulma ve rijitlik testleri, PMK malzemelerin uzun vadeli dayanıklılık ve güvenilirliğini ortaya koymuştur. Bu çalışma ayrıca, SHM teknolojilerinin entegrasyonuyla gelecekte daha akıllı ve verimli kompozit tasarımların önünü açmıştır. Elde edilen veriler, UD-GFRP tek katlı yaprak yayların otomotiv sektöründeki kullanımlarını artırmak adına önemli bir bilgi birikimi sunmuş, aynı zamanda yeni nesil hafifletme stratejileri için yol gösterici olmuştur. Bu doğrultuda, çıktılar sadece yaprak yaylar kapsamında kalınmayıp kalın UD-GFRP yapıların tasarımında sıcaklık kontrolü, iç gerilme optimizasyonu ve uzun ömürlü yapısal davranış gibi kritik parametrelerin dikkate alınması gerektiği sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
The automotive industry is undergoing a significant transformation driven by the need for more efficient and sustainable solutions. As the global focus shifts toward electric vehicles and alternative fuel technologies, reducing vehicle weight has become increasingly critical. Lightweighting enhances fuel efficiency, reduces CO2 emissions, and improves vehicle performance. For commercial vehicles, lightweighting also increases payload capacity, operational efficiency, and environmental sustainability while offering cost advantages. By reducing vehicle weight, logistics companies and fleet operators gain a competitive edge through higher payload capacities and improved overall efficiency. Polymer Matrix Composites (PMCs) have emerged as a promising solution for achieving lightweighting goals due to their high strength-to-weight ratios compared to traditional materials like steel and aluminium. Despite their extensive use in aerospace and defence industries, the adoption of PMCs in automotive applications has faced challenges. Requirements such as dynamic load-bearing capacity, cost efficiency, and high-volume production have slowed their use in critical structural components. This thesis focuses on developing polymer composite monoleaf springs (MonoLeaf), which are widely used in the suspension systems of heavy commercial vehicles. Leaf springs operate under dynamic loads and often feature variable cross-sectional geometries to optimize material usage. This design requires significant thickness variations, ranging from 50 mm to 100 mm, introducing challenges in both design and manufacturing, particularly for single-piece Composite design using Unidirectional Continuous Glass Fiber Reinforced Polymer (UD-GFRP) prepreg material. The initial phase of this study involved experimental and numerical characterization of constant-thickness laminated UD-GFRP beams (ComBeam) produced using 300 Grams per Square Metre (GSM) prepreg material reinforced with continuous glass fibers and epoxy resin through thermal forming in a hot press. Before production, the cure kinetics of the resin system were analysed using High-Pressure Dynamic Scanning Calorimetry (HP-DSC). Resin samples were heated from 25 °C to 130 °C at a rate of 3 °C per minute and held isothermally at 130 °C for 30 minutes to simulate actual production processes. The process was repeated under varying pressure levels (1, 2, 4, and 6 MPa) to determine the optimal press pressure and temperature. No significant pressure effects were observed on small-scale samples. Although small coupon samples were produced for initial material characterization, they did not fully replicate the critical effects observed during actual part production, such as exothermic reactions, void formation, and fiber wetting issues. To address this limitation, flat specimens with dimensions approximating real part sizes (1,600 mm × 100 mm) and thicknesses of 52, 60, and 70 mm were produced. These specimens provided valuable insights into the challenges of manufacturing structural components for heavy commercial vehicles and formed the foundation for evaluating structural performance and production methodologies. During the production of flat thick beams, prototypes without sensors were fabricated in three different thicknesses, while additional prototypes with embedded sensors were produced in 70 mm thick beams. Fiber Bragg Grating (FBG) sensors and thermocouples (TCs) were embedded to monitor internal stresses and temperature distributions during production. FBG sensors offered high-precision strain measurements, while TCs provided valuable insights into the effects of exothermic reactions during the curing process. Despite the mould temperature being set to 130 °C, the central temperature in thick beams exceeded 200 °C, revealing significant temperature gradients within the structure. These findings informed the optimization of temperature control strategies and contributed significantly to the design of moulds for variable cross-section monoleaf springs. Flat laminated PMC beams were tested using a custom three-point bending test setup designed to simulate the operating conditions of leaf springs. Strain variations were monitored using both embedded FBG sensors and surface-mounted strain gauges (SGs). Calibration of the FBG sensors was performed using SGs. The results revealed high strain levels near the surface of the central connection region (e.g., 13101 με) and unexpectedly high strain values near the neutral axis (e.g., 457 με). These findings were validated through finite element method (FEM) simulations incorporating Geometrical Nonlinear Analysis (GNA) to model large deformations, aligning well with experimental results. This validation process was crucial in understanding neutral axis shifts and the internal structural behaviour of thick specimens, providing valuable insights for the design and production of variable cross-section leaf springs. After completing the flat laminated UD-GFRP beam studies, the design and production processes of variable cross-section leaf springs began using 600 GSM prepreg material. The laying processes of prepreg were optimized to improve efficiency. To investigate the effects of exothermic reactions on mechanical properties, coupon samples were extracted along the cross-sections of prototypes and mechanically characterized. The results revealed a pronounced anisotropic structure within thick PMC components. To further enhance production efficiency, the study transitioned to using 1000 GSM prepreg material with 0.2% carbon nanotube-reinforced epoxy resin. Using this new material composition, FBG and thermocouple sensors were employed to measure temperature compensation and internal stresses during production. In addition, DSC based Tg measurements, fiber volume fraction determination, void analysis using optical microscopy, and X ray imaging were jointly evaluated. These analyses quantitatively revealed the mechanical property gradients that developed particularly in the thick central region due to thermal curing nonuniformity. Finally, leaf springs embedded with FBG sensors were subjected to real-time strain monitoring along the ComLeaf structure, enabling accurate mapping of strain distribution, neutral-axis movement, and stiffness variations under load. These tests provided detailed insights into the fatigue behaviour and long-term durability of the leaf springs. Real-time force-displacement data and FBG sensors support offered a critical advantage in early damage detection and service life prediction. The results demonstrated that the exothermic reactions observed during production had a significant impact on material behaviour, particularly on neutral axis shifts and internal stress distributions. This thesis provides a comprehensive framework for the design, production, and performance evaluation of PMCs. It has optimized the production processes of thick and variable cross-section leaf springs, establishing reliable production and performance criteria. The innovative materials and design strategies developed for heavy commercial vehicles offer lighter, more durable, and environmentally sustainable solutions, promoting the adoption of composite materials in the automotive industry. These results pave the way for future research and create new opportunities for broader-scale PMC applications.
Benzer Tezler
- Yay tahrikli bir darbe deney cihazının tasarımı, geliştirilmesi ve verimliliğinin araştırılması
Spring-actuated impact test device: Design, development, and efficiency assessment
MESUT KÜÇÜK
Doktora
Türkçe
2025
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ SARI
- CMMcihazındaki verilerden makine öğrenmesi ile parça kontrolü
Part control with machine learning from data on CMM device
ZEYNEP BİRGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURAY CANİKOĞLU
- İzmir'de bazı yolların kapatılarak yaya bölgeleri oluşturma da kent peyzajını geliştirme açısından yeniden planlanması üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
BAHAR TÜRKYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Şehircilik ve Bölge PlanlamaEge ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
- Kam yapma aparatı
Cam milling attachment
ORHAN UZUN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEVZİ ERCAN
- Osilaskoplar için dijital hafıza ünitesi sentezi
Başlık çevirisi yok
ZİHNİ LİMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiElektronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜR TÜTÜNCÜOĞLU