Negatif poisson oranına sahip (ökzetik) yapıların yorulma altındaki mekanik davranışlarının incelenmesi

Abstract

Ökzetik yapılar, negatif değerde Poisson oranına sahip yapılara verilen isimdir. Bu özellik, yapıların düşey yönde bir çekme kuvvetine maruz kaldığında yatay yönde genişlemesine sebebiyet verir. Aynı şekilde düşey yönde bir bası kuvveti, yapının yatay yönde daralmasına sebebiyet verecektir. Bu davranış, ökzetik yapıların üstün enerji sönümleme ve iyi darbe direncine sahip olma gibi özelliklere sahip olmasını sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında; girintili, okucu ve yeni tasarlanmış sekizgen ökzetik yapılar birbirleriyle ve pozitif Poisson oranına sahip geleneksel bir yapı ile yorulma dayanımı yönünden deneyler ve bilgisayar destekli analizler gerçekleştirilerek karşılaştırılmıştır. 2 Hz frekans ve 0.5 mm genlik değerinde gerçekleştirilen yorulma deneyleri sonucu, geleneksel yapı ortalama 1600 döngülük yorulma ömrü göstermiştir. Girintili, okucu ve sekizgen ökzetik yapılar deneysel olarak geleneksel yapıya oranla sırası ile; %34, %49 ve %1263 daha uzun yorulma ömrü göstermiştir. Buna ek olarak, çekme deneylerinde kopana kadar çekilmeleri sonucu yorulmamış girintili, okucu ve sekizgen ökzetik yapıların sırası ile; 1462 N, 1655 N ve 773 N civarı maksimum hasar kuvvetine dayanabildiği görülmüştür. Deneysel çalışmaları takiben, bir bilgisayar destekli analiz programı olan ANSYS programının nCode DesignLife modülünde yorulma deneyleri simüle edilmiş ve simülasyon sonuçları ile deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır. Bilgisayar destekli analizlere göre geleneksel yapı 1838 döngülü yorulma ömrü göstermiştir. Girintili, okucu ve sekizgen ökzetik yapılar analiz sonuçlarına göre sırası ile; %37, %48 ve %962 daha uzun yorulma ömrü göstermiştir. Hem deneysel hem de bilgisayar destekli çalışmalar tez dahilinde tasarlanmış sekizgen ökzetik yapının üstün yorulma dayanımı gösterdiği sonucunu vermiştir. Sekizgen ökzetik yapının yuvarlatılmış köşeleri sayesinde gerilme yığılmalarından kaçınılmış ve çok daha uzun yorulma ömrü elde edilmiştir. Buna karşın sekizgen ökzetik yapı diğer ökzetik yapılar kadar sık bir birim hücre örüntüsüne sahip olmadığından ötürü dayanabildiği maksimum hasar kuvveti daha düşük olarak ölçülmüştür. Auxetic structures are the structures with a negative Poisson's ratio. This property causes the structures to expand horizontally when subjected to a vertical tensile force. Similarly, a vertical compressive force will cause the structures to contract horizontally. This behavior provides auxetic structures with properties such as superior energy absorption and good impact resistance. In this thesis, re-entrant, arrowhead and newly designed octagonal auxetic structures are compared with each other and with a conventional structure with a positive Poisson's ratio in terms of fatigue strength by conducting experiments and computer-aided analyses. As a result of fatigue tests carried out at a frequency of 2 Hz and an amplitude of 0.5 mm, the conventional structure showed an average fatigue life of 1600 cycles. The re-entrant, arrowhead and octagonal auxetic structures experimentally showed 34%, 49% and 1263% longer fatigue life compared to the traditional structure, respectively. In addition, in tensile tests, it was seen that the unfatigued re-entrant, arrowhead and octagonal auxetic structures could withstand maximum failure forces of around 1462 N, 1655 N and 773 N, respectively, when pulled until failure. Following the experimental studies, fatigue tests were simulated in the nCode DesignLife module of the ANSYS program, which is a computer-aided analysis program, and the results obtained from the simulations verified the experimental studies. According to the computer-aided analyses, the conventional structure showed a fatigue life of 1838 cycles. The re-entrant, arrowhead and octagonal auxetic structures showed 37%, 48% and 962% longer fatigue life according to the analysis results, respectively. Both experimental and computer-aided studies concluded that the octagonal auxetic structure designed within the thesis exhibited superior fatigue strength. The rounded corners of the octagonal auxetic structure prevented stress concentrations and resulted in a significantly longer fatigue life. On the other hand, since the octagonal auxetic structure does not have a unit cell pattern as dense as other auxetic structures, the maximum failure force it can withstand was measured to be lower.