Investigating the filament wound hybrid cylindrical structures with enhanced thermal properties by numerical analysis

Abstract

The filament winding method is a composite production technique found at the beginning of the 20th century. The technique has been used in different fields since the day it was introduced in literature. Today, with the developments in the continuous fiber structure used in this technique and the development of carbon technology, filament-wound composites are widely used in the automotive, aerospace, and defense industries. In this study, the finite element method was used to model filament-wound composite cylinders. It was wanted to observe the matrix effect of the composite structure numerically and criticize experimentally produced composites. Even though the current studies work on a hybridized composite structure with respect to the fiber, this study tried to find the hybridized matrix effect by numerical analysis. For this purpose, in this study, the finite element program ANSYS was used. In order to make realistic calculations with ANSYS, material data were observed from composite plates. Finite element models created with the obtained data were compared with the experimental results. The analysis results were observed with the help of the first-ply failure theory. In addition, since the pattern representations from the winding poles cannot be displayed in ANSYS, the pattern effect was ignored, and comparison were made with the assumption of a full layer at given angles. As a result of all this study, although there were differences between experimental and finite element methods' models in homogeneity and pattern, methods' comparisons gave consistent and close results.

Filament sarma yöntemi ile kompozit silindir üretimi 20. Yüzyılın ilk çeyreğinden sonra keşfedilmiştir. Bu keşif sonrasında kapsamlı olarak çeşitli alanlarda yaygın bir şekilde kullanılmıştır. Günümüzde başlıca kullanım alanlarından olan havacılık ve uzay sanayiinde, karbon fiber teknolojisinin gelişmesiyle birlikte çalışmalara hız katmış; performans, üretilebilirlik, dayanım ve hafiflik açısından günümüz çalışmalarında daha yaygın bir kullanıma sahip olmuştur. Bu çalışmada, hibrit yapının matris malzemesi ile oluşturulması amacı doğrultusunda, ıslak sarım esnasında farklı bir reçine ile üretilmiş katman kullanımının kompozit yapıya etkisi ve istenilen ek özelliklerin yapıya dahil edilebilmesinin mümkün ve işlevsel olup olmadığı sonlu eleman yöntemi ile tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Güncel hibrit çalışmaları kompozit yapıdaki fiberler üzerine olsa da matris malzemesi ile oluşturulacak hibrit yapının yüksek ısıya dayanıklı bir reçinenin en dış katmanda kullanılarak altta kalan katmanlardaki yapıyı korumasının mümkün olup olmadığı gözlemlemek istenmiştir. Gerçeğe yakın sonuçlar elde etmek amacıyla kullanılan fiber ve matris malzemelerinden kompozit plaka üretilip ANSYS'e işlenecek malzeme verileri bu plakalardan elde edilmiştir. Elde edilen malzeme verileri ile kompozit silindir yapıları program içerisinde modellenmiş ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen mekanik özellik testlerinin nümerik yöntemle tahmin edilmesi için "İlk Katman Kırılması" teorisi ve "Tersine Rezerv" faktörü kullanılmıştır. Gerçekleştirilen analizler sonucunda, üretilen kompozit yapılar ile modellenen kompozit yapıların mekanik özelliklerin kıyas verileri elde edilmiştir. Elde edilen deneysel ve nümerik model sonuçları birbirleri ile kıyaslandığında, birbirleriyle yakın ve tutarlı değerleri verdiği ve kullanılan teorinin gelecek geliştirme çalışmalarına yardımcı olacağı gözlemlenmiştir.