The design and optimization of multiscale hybrid nanocomposite structures for vibration and buckling behavior
Çok ölçekli hibrit nanokompozit yapıların titreşim ve burkulma davranışları için tasarımı ve optimizasyonu
- Tez No: 910359
- Danışmanlar: PROF. DR. HATİCE SEÇİL ARTEM, DOÇ. DR. LEVENT AYDIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Doğal lifler, Nanokompozitler, Serbest titreşim analizi, Tabakalı kompozit levhalar, Tahrik mili, Tasarım optimizasyonu, Natural fiber, Nanocomposites, Free vibration analysis, Laminated composite plates, Drive shaft, Design optimization
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde, otomotiv, havacılık ve uzay sanayi gibi endüstrilerde yaygın olan geleneksel sentetik karbon ve cam elyaf takviyeli kompozit yapılara alternatif olarak çok fazlı hibrit doğal fiber takviyeli nanokompozit yapılar sunulmaktadır. Alternatif tasarımların kritik burkulma yükünü, doğal frekansını ve yapısal güvenlik faktörünü maksimize etmek için Differential Evolution, Simulated Annealing, ve Nelder-Mead stokastik optimizasyon yöntemleri kullanılmıştır. Fiber hacim oranı, fiber oryantasyon açısı ve her tabakadaki Karbon Nanotüplerin (CNT) veya Grafen Plaketlerin (GPL) hacim içeriği eş zamanlı olarak tasarım değişkenleri olarak kullanılmıştır. CNT veya GPL ile güçlendirilmiş matrislerin etkili malzeme özellikleri, nanodolgu maddelerinin kümelenme etkileri göz önünde bulundurularak Modifiye Halpin-Tsai denklemleri ve karışım kuralı kullanılarak hesaplanmıştır. Çok fazlı ara hibrit fiber tabakalı nanokompozit yapıların vibrasyon, burkulma ve hasar analizleri, hem analitik yöntemler (Navier çözümü ile Birinci Derece Kayma Deformasyon Teorisi (FSDT) ve Klasik Laminasyon Teorisi (CLT)) hem de Sonlu Elemanlar Metodu (FEM) kullanılarak yapılmıştır. Maksimum mekanik özellik ve minimum ağırlık ve maliyet için çok amaçlı optimizasyon problemleri, geleneksel kompozit yapılara çevre dostu, hafif ve düşük maliyetli alternatifler önerebilmek amacıyla Ceza Fonksiyonu yaklaşımı kullanılarak stratejik bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, otomotiv endüstrisinde potansiyel gelecekteki uygulamalar için optimum nanokompozit tahrik mili tasarımları, kalınlık boyunca kümelenme etkileri dahil olmak üzere eşit olmayan şekilde dağılmış fiber ve CNT dağılımına sahip hibrit Karbon/Keten/CNT takviyeli yapılarla önerilmiştir. Genel sonuçlar, doğal fiberlerin GPL veya CNT ile optimize edilmesinin, mühendislik yapılarında sadece çevresel sürdürülebilirlik açısından değil, aynı zamanda ağırlık, maliyet, frekans ve burkulma özelliklerine dayalı kompozit malzeme tasarımının performansı açısından da avantajlar sağladığını göstermiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents multiscale hybrid natural fiber-reinforced nanocomposite structures as viable alternatives to the traditional synthetic carbon and glass fiber composites commonly used in industries like automotive, aviation, and aerospace. These alternatives were created using stochastic optimization methods—Differential Evolution, Simulated Annealing, and Nelder-Mead algorithms—to optimize critical buckling load, fundamental frequency, and factor of safety, while reducing weight and cost. A broad range of design variables were employed, including fiber volume fraction, stacking sequences, and the volume content of Carbon Nanotubes (CNTs) or Graphene Platelets (GPLs) in each layer. The effective material properties of matrices reinforced with CNTs or GPLs were determined using the Modified Halpin-Tsai equations and the rule of mixtures, accounting for the agglomeration effects of the nanofillers. Vibration, buckling, and failure analyses of multiphase hybrid fiber-reinforced nanocomposite structures were performed using both analytical methods (Navier's solution with First-order Shear Deformation Theory (FSDT) and Classical Laminated Theory (CLT)) and the Finite Element Method (FEM). A multi-objective optimization problem was strategically executed using the Penalty Function approach to propose optimal eco-friendly, lightweight, and cost-effective alternatives to conventional composite materials, aiming for maximum mechanical response with minimal weight and cost. Additionally, optimal nanocomposite driveshaft designs were proposed for future automotive applications, featuring hybrid Carbon/Flax/CNT structures with non-uniform fiber and CNT distribution, accounting for agglomeration effects. The results indicated that optimizing natural fibers with GPLs or CNTs in engineering structures offers substantial benefits, enhancing both environmental sustainability and composite material performance in terms of weight, cost, frequency, and buckling properties.
Benzer Tezler
- Novel design and manufacturing of advanced multifunctional structural nanocomposites containing self-healing fibers and graphene sheets with structural health monitoring capabilities
Yapısal sağlık görüntüleme kabiliyetleri ile kendi kendini onarabilen fiberler ve grafen tabakalar içeren ileri, çok fonksiyonel yapısal nanokompozitlerin orjinal tasarımı ve üretimi
JAMAL SEYYED M. ZANJANI
Doktora
İngilizce
2016
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET YILDIZ
YRD. DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Devrelerin büyük işaret cevaplarının bilgisayar yardımıyla bulunması
Başlık çevirisi yok
NÜKHET GÜNEYİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜR TÜTÜNCÜOĞLU
- Ulaş Sağlık Ocağı merkezinde nüfusun bazı niteliklerine ve konutların durumuna ilişkin bir çalışma
An Investigation carried out at the Ulaş Public Health Centre concerning some characteristics of the population and housing conditions in the district of Ulaş
EROL ŞANLI
Doktora
Türkçe
1985
Halk SağlığıCumhuriyet ÜniversitesiHalk Sağlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERVET ÖZGÜR
- Çimentonun sertleşmesi üzerinde kimyasal komponentlerin etkisi
Başlık çevirisi yok
NACİYE TÜRKEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Kimya MühendisliğiUludağ ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEBE
- 1981 Türkiye tarımsal yapısının önemli bileşenleri ve tarımsal bölgelerin elde edilmesi
Principle components of Turkey's agricultural structure and to determine agricultural rigions in 1981
İHSAN KARABULUT