Numerical and experimental study of nanoparticle reinforcement in tapered GFRP laminates: An outlook for wind turbine blades
Katman düşüşlü GFRP laminatlarında nanoparçacık takviyesinin nümerik ve deneysel incelemesi: Rüzgâr türbin kanatlarına yönelik bir bakış
- Tez No: 935178
- Danışmanlar: PROF. DR. ALTAN KAYRAN, PROF. DR. ARCAN FEHMİ DERİCİOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Cam elyaf kompozitler, Nanokompozitler, Nanomateryaller, Nanotüp, Sonlu elemanlar analizi, Glass fiber composites, Nanocomposites, Nanomaterials, Nanotube, Finite element analysis
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, rüzgâr türbin kanatlarındaki katman düşüş bölgelerini kupon ölçeğinde temsil eden laminatlarda nanoparçacık takviyesinin yapısal bütünlük üzerindeki etkileri incelenmektedir. Fiber takviyeli plastiklerden (FRP) üretilen rüzgâr türbin kanatları, katman düşüş bölgelerinde gerilim konsantrasyonlarına maruz kalmakta ve bu durum, potansiyel hasarlara yol açabilmektedir. Bu çalışma, katman düşüş bölgelerinde nanoparçacıkların seçici olarak takviyesini önererek, fiber ile matris arasındaki arayüz özelliklerini geliştirmeyi ve böylece kompozitlerin performansını arttırmayı hedeflemektedir. Kompozitlerde nanoparçacık katkısının ve katman düşüşüne sahip kompozit laminatların üzerine kapsamlı araştırmalara rağmen, bunların birleşik etkileri konusunda önemli bir araştırma açığı bulunmaktadır. Bu açığı kapatmak amacıyla, farklı nanoparçacık türleri, içerikleri ve karıştırma koşulları değerlendirilerek katkılı epoksi sistemleri üzerinde deneyler gerçekleştirilmiştir. En uygun nanoparçacık entegrasyonu belirlenmiş ve bu sayede nanoparçacık katkılı cam elyaf takviyeli kompozitlerin (GFRP) üretimi ve testleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular, katkılı kompozitlerde katmaniçi özelliklerin korunurken, katmanarasıviii özelliklerde önemli iyileşmeler sağlandığını göstermiştir. Bununla birlikte, katman düşüşlü GFRP laminatları değerlendirilmiş ve nanoparçacık katkısının delaminasyon başlangıç yükünü artırdığı ve daha tutarlı hasar başlangıç yükleri sağladığı ortaya konmuştur. Nanoparçacık takviyesi, katman düşüşlü kompozitlerde delaminasyon başlangıcını etkin bir şekilde geciktirirken, nihai yük kapasitesini de korumuştur. Ayrıca, Geliştirilmiş Schapery Teorisi (EST) ve Crack Band Teorisi'ni (CBT) içeren bir Progresif Hasar Analiz aracı geliştirilerek, sanal testler gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen hasar modeli, delikli kompozit çekme testleri ile doğrulanmış olup, katman düşüşlü laminatlardaki karmaşık hasar mekanizmalarının analizine olanak tanımış, simülasyonların deneysel verilerle yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. Böylece önerilen yaklaşımın etkinliği doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the influence of nanoparticle reinforcement on the structural integrity of tapered laminates. These laminates are representative of drop-off regions commonly found in structural components such as wind turbine blades. Wind blades, constructed from fiber-reinforced plastics (FRPs), are susceptible to stress concentrations at ply drop-off stations, which can lead to failure. This study selectively introduces nanoparticles to these critical areas to enhance the interfacial properties between fibers and the matrix, thereby improving the overall performance of FRPs. Despite extensive research on the effects of nanoparticles and tapered composite laminates, a significant gap exists regarding their combined impact on structural performance. To address this, experiments were conducted on nanoreinforced epoxy systems, evaluating different nanoparticle types, contents, and mixing conditions. Optimal nanoparticle integration was identified, resulting in the production and testing of nanoreinforced glass fiber-reinforced polymer (GFRP) composites. The findings revealed significant improvements in interlaminar properties while maintaining intralaminar integrity. Tapered GFRP laminates were also assessed, demonstrating that nanoreinforcement increased delamination loads and resulted in more consistentvi delamination initiation. Additionally, nanoreinforcement effectively delayed the onset of delamination in tapered laminates while preserving ultimate load capacity. To further substantiate these findings, virtual testing was performed using a developed Progressive Failure Analysis tool that incorporates Enhanced Schapery Theory and Crack Band Theory. This tool, validated through open-hole tension tests, facilitated the analysis of complex failure mechanisms in tapered composites, with simulations yielding results that matched the experimental data, confirming the efficacy of the proposed approach.
Benzer Tezler
- Performance of polymer coating and forming conditions
Şekillendirme koşulları ve polimer kaplamalarının performansı
NAJLAA AL-QARA GHULI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiTürk Hava Kurumu ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. IBRAHIM MAHARIQ
- Nanoparçacık takviyeli epoksi malzemelerin teorik ve deneysel incelemesi
Theoretical and experimental investigation of nanoparticle reinforced epoxy materials
CAN DİKİCİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Grafen oksit nano parçacık takviyesi yapılmış karbon elyaf-epoksi katmanlı kompozitlerin basma yükleri altındaki katman ayrılması davranışının incelenmesi
Investigation of delamination behaviour of graphene oxide nanoparticle reinforced carbon fibre-epoxy layered composites under compressive loads
TAHİR SOYUGÜZEL
Doktora
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Halloysite nanotüp ve nano kauçuk parçacık takviyeli epoksi imalatı ve mekanik karakterizasyonu
Manufacturing and mechanical characterization of halloysite nanotube and nano rubber particle reinforced epoxy
İNCİ PİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Designed-in molecular interactions and cross-linking interface for superior nanocomposites: A multi-scale insight
Moleküler etkileşimlerin ve çapraz bağlanmış arayüzün üstün nanokompozit malzemeler için tasarımı:Bir çok-boyutlu anlayış
ELİF ÖZDEN YENİGÜN
Doktora
İngilizce
2013
Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELİH PAPİLA