The Design and Optimization of Multiscale Hybrid Nanocomposite Structures for Vibration and Buckling Behavior

Abstract

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.

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.