Dynamic behavior of hemp based composite structures

This study investigated the free vibration behavior of hemp-based laminated composite structures through both numerical modeling and experimental investigation. The study includes two primary structural forms: curved composite beams and laminated rectangular plates. The main objective of the study was to assess the dynamic performance of pure and hybrid hemp fiber-reinforced composites and to evaluate the viability of hemp fibers as a sustainable alternative to conventional synthetic reinforcements, particularly glass fiber. The governing equations for the free vibration of curved beams and laminated plates were derived using the principle of virtual work within the framework of First-Order Shear Deformation Theory (FSDT). For laminated plates exhibiting large-amplitude vibrations, the equations were formulated based on nonlinear Green-Lagrange strain measures. Spatial derivatives in the vibration equations were computed using the Generalized Differential Quadrature (GDQ) method. To determine the mechanical properties, tensile tests were conducted on laminates reinforced with hemp, carbon, and glass fibers. Tensile and vibration test specimens were manufactured using the Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) technique. First-mode natural frequencies and damping ratios were measured experimentally using a vibration test setup for nine different composite beams. The developed numerical models were validated through experimental testing and comparison with existing literature, showing a high degree of agreement and confirming the models' accuracy and reliability. After validation, a series of parametric studies was conducted to investigate the influence of curvature ratio, aspect ratio, stacking sequence, boundary conditions, and hybrid fiber configurations on the natural frequencies. The experimental and numerical findings revealed that, in terms of natural frequency performance, the pure carbon composite indicated the highest value. After pure carbon composites, a certain configuration of the carbon/hemp hybrid composites exhibited the highest natural frequency values, higher than the carbon/glass counterpart. CHHHC (C: carbon, H: hemp) and CHCHC stacking sequences consistently indicated higher frequency values than carbon/glass hybrid composites in various configurations, regardless of the boundary conditions. Overall, the results confirm that carefully configured hemp-based hybrid laminates offer promising frequency values for structural applications.

Bu çalışmada, kenevir esaslı lamine kompozit yapıların serbest titreşim davranışı hem nümerik modelleme hem de deneysel olarak araştırılmıştır. Çalışma, iki temel yapısal formu içermektedir: eğri kompozit kirişler ve lamine dikdörtgen plakalar. Çalışmanın temel amacı, saf ve hibrit kenevir elyaf takviyeli kompozitlerin dinamik performansını değerlendirmek ve kenevir elyaflarının, özellikle cam elyaf olmak üzere, geleneksel sentetik takviyelere sürdürülebilir bir alternatif olarak uygulanabilirliğini değerlendirmektir. Eğri kirişler ve lamine plakaların serbest titreşimine ait temel denklemler, Birinci Mertebe Kesme Deformasyon Teorisi (FSDT) çerçevesinde sanal iş ilkesi kullanılarak türetilmiştir. Büyük genlikli titreşim gösteren lamine plakalar için denklemler, doğrusal olmayan Green-Lagrange gerinim ifadelerine dayalı olarak formüle edilmiştir. Titreşim denklemlerindeki mekânsal türevler, Genelleştirilmiş Diferansiyel Kareleme (GDQ) yöntemiyle hesaplanmıştır. Mekanik özellikleri belirlemek amacıyla, kenevir, karbon ve cam lifi ile takviye edilmiş lamine numunelere tek eksenli çekme testleri uygulanmıştır. Çekme ve titreşim testi numuneleri, Vakum Destekli Reçine Transfer Kalıplama (VARTM) yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Birinci mod doğal frekansları ve sönüm oranları, dokuz farklı kompozit kiriş için bir titreşim test düzeneği kullanılarak deneysel olarak ölçülmüştür. Geliştirilen nümerik modeller, deneysel veriler ve literatürdeki mevcut sonuçlarla karşılaştırılarak doğrulanmış; yüksek uyum göstermiş ve modellerin doğruluğu ile güvenilirliğini kanıtlamıştır. Doğrulama sonrasında, eğrilik oranı, boy/en oranı, tabaka dizilimi, sınır şartları ve hibrit lif konfigürasyonlarının doğal frekans üzerindeki etkisini incelemek üzere parametrik bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Deneysel ve nümerik bulgular, doğal frekans performansı açısından en yüksek değerin saf karbon kompozitte elde edildiğini göstermiştir. Saf karbon kompozitleri takiben, belirli karbon/kenevir hibrit konfigürasyonları, karbon/cam hibrit konfigürasyonlarından daha yüksek doğal frekans değerleri sergilemiştir. CHHHC (C: karbon, H: kenevir) ve CHCHC gibi tabaka dizilimleri, sınır şartlarından bağımsız olarak farklı konfigürasyonlarda karbon/cam hibritlerinden daha yüksek frekans değerleri göstermiştir. Genel olarak sonuçlar, dikkatli şekilde tasarlanmış kenevir esaslı hibrit laminatların yapısal uygulamalar için umut vadeden doğal frekans değerleri sunduğunu ortaya koymaktadır.