Kompozit malzemelerin hidrolik silindirlerde kullanılabilirliğinin araştırılması

Abstract

Bu çalışmada hidrolik silindirlerin ağırlığını azaltmak için geleneksel çelik malzemeler yerine yüksek mukavemet/ağırlık oranı ile öne çıkan kompozit malzemelerin kullanılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda Tip 1 ve Tip 2 olmak üzere iki farklı hidrolik silindir tasarlanmış ve ANSYS paket programı yardımıyla sayısal analizler yürütülmüştür. Tip 1 hidrolik silindirler için jeodezik kubbe profilli alüminyum astar kullanılmış ve yüzeyinde kompozit katmanlar oluşturulmuştur. Aynı şekilde Tip 2 hidrolik silindirler için açık uçlu alüminyum astar kullanılmış ve yüzeyinde kompozit katmanlar oluşturulmuştur. Sayısal analizlerde, kutup ağzı yarıçapı, astar kalınlığı, istif sırası, elyaf malzemesi, çember sarım tabaka kullanımı ve elyaf oryantasyonu gibi tasarım parametrelerinin mekanik özellikler üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Ayrıca yanıt yüzey optimizasyonu ile tasarım parametreleri optimize edilmiş ve böylece her iki hidrolik silindir için de optimum tasarım parametreleri belirlenmiştir. Mevcut çalışma sonucunda, kutup ağzı yarıçapındaki artışın helisel sarım açısı ve dolayısıyla mekanik özellikler üzerinde önemli miktarda iyileştirici etkileri olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca helisel sarım katmanların eksenel yüklere karşı yetersiz kalabileceği ve bu nedenle teğetsel yüklere karşı takviye edici katman olarak çember sarım tabakaların kullanılması gerektiği ortaya çıkmıştır. Diğer taraftan çelik hidrolik silindirlerle aynı mukavemete sahip kompozit hidrolik silindirlerin tasarlanabileceği tespit edilmiştir. Ayrıca kompozit malzemelerin kullanımı ile Tip 1 ve Tip 2 hidrolik silindirlerin geleneksel hidrolik silindirlere göre sırasıyla %53.78 ve %38.42 daha hafif olduğu gözlemlenmiştir.

In this study, it was aimed to use composite materials, which stand out with their high strength/weight ratio, instead of conventional steels to reduce hydraulic cylinders weight. In this context, two different hydraulic cylinders designated as Type 1 and Type 2 were designed, and numerical analyses were conducted with the ANSYS package program. For the Type 1 hydraulic cylinders, an aluminum liner with geodesic dome profiles was used, and composite layers were formed on its surface. Likewise, the open-ended aluminum liner was used for the Type 2 hydraulic cylinders and composite layers were formed on its surface. In the numerical analyses, the effects of the design parameters such as polar opening radii, liner thickness, stacking sequences, fiber materials, hoop winding utilization and fiber orientations on the mechanical properties were investigated. Furthermore, the design parameters were optimized by virtue of response surface optimization, and thus the optimum design parameters were determined for both hydraulic cylinders. As a result of the current study, it has been concluded that the increment in the polar opening radii had significant improvement effects on the helical winding angles and hence on the mechanical properties. Moreover, it has been revealed that the helical winding layers may be insufficient against axial loads and therefore, hoop winding layers should be used as reinforcement layers to withstand tangential loads. Apart from that, it has been determined that composite hydraulic cylinders with the same strength as steel hydraulic cylinders can be designed. Additionally, with the utilization of the composite materials, it has been observed that Type 1 and Type 2 hydraulic cylinders are 53.78% and 38.42% lighter than conventional hydraulic cylinders, respectively.