Modeling of the mechanical behavior of composites showing nonlinear material behavior using the embedded element method
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2020
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: ALP ŞIK
Danışman: Barış Sabuncuoğlu
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Kompozit malzemeler, birden fazla malzemenin bir araya getirilmesiyle oluşturulan heterojen malzemelerdir. Birçok malzemede olduğu gibi bu tip malzemelerin modellenmesinde de sonlu eleman yöntemi sıkça kullanılır. Model oluşturulurken malzemelerin homojenize edilerek ortak bir malzeme özelliği değeri kullanılması bilinen bir yaklaşımdır. Ancak bu yaklaşım birçok varsayım altında geçerlidir. Bunun yanında kompozit malzemeyi oluşturan bileşen malzemelerin her biri üzerindeki gerilme ve gerinimlerin ayrı ayrı incelenmesine olanak sağlamazlar. Gerçekçi modelleme için malzemelerin ayrı ayrı modellenmesi gerekir. Ancak özellikle bu bileşen malzemelerin şekillerinin karmaşık olması, sonlu eleman modelinin oluşturulması kısmında eleman sürekliliğini sağlamak için oldukça soruna yol açacak veya modelde çok fazla eleman kullanılması nedeniyle çözüm süresi uzayacaktır. Bu soruna çözüm için gömülü eleman yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemde kompozit malzemeyi oluşturan bileşen malzemeler gömülü bölge ve ana bölge olarak birbirlerinden bağımsız ağ yapıları oluşturulur. Malzemeler arasında bağlantı sınırlandırmaları koşulları belirlenerek malzemelerin tek bir malzeme gibi davranması sağlanır. Bu yöntem sayesinde hem bileşenler arası eleman sürekliliği gerekmediğinden göreceli olarak daha düzgün ve daha az elemanlı ağ yapılı modeller oluşturulabilir hem de çoğunlukla ampirik olan yaklaşımlar yerine direkt malzemeler modellendiği için bileşke malzemenin mekanik davranışı daha gerçekçi elde edilebilir. Bunun yanında bileşen malzemelerin üzerindeki gerilme ve gerinimler incelenebilir. Ancak bu yöntemin de gerçekçi sonuçlar verebilmesi için gömülü hacmin ana hacme göre oranının çok düşük olmasının yanı sıra ana elemanın doğrusal elastik malzeme davranışı göstermesi gerekmektedir. Çünkü gömülü malzemenin olduğu yerdeki ana malzeme halihazırda modelde yer aldığından (artık hacim) malzemenin mekanik davranışını etkileyecektir. Kompozit malzemelerde en sık kullanılan ana malzeme (matris) termoelastik veya termoplastik polimerlerdir. Bu malzemelerin de dış yükler altında doğrusal olmayan mekanik davranış gösterdikleri bilinmektedir. Buna ilaveten kas ve doku yapılarının malzemeleri de yüksek derecede inelastik malzeme davranışı içeririr. Gömülü hacim (fiber) oranı yükseldiğinde matristeki bu davranışının dahil edilmesi daha da önem kazanmaktadır. Bu projedeki amaç, modellemelerde oldukça kolaylık sağlayan ve sadece doğrusal malzeme davranışı için kullanılabilen bu gömülü eleman yönteminin elasto-plastik ve inelastik malzeme davranışı için de kullanılmasına olanak sağlayan bir yöntem geliştirmektir. Bu amaçla, uygun malzeme özelliğini tanımlayacak oldukça uzun ve karmaşık kullanıcı döngüleri geliştirilmiş ve bu yöntem ile elde edilen sonuçlar klasik sürekli eleman yöntemi uygulanan modellerle kıyaslanmıştır. Tek fiberli tek ve çok elemanlı modellerle birlikte rastgele dağıtılmış çok fiberli bir modelin 0.6 ve 0.4 olmak üzere iki farklı fiber hacimsel oranındaki çeşidinde geliştirilen yöntem test edilmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki, geliştirilen yöntem iki boyutlu bir modelin S11 ve S12 gerilme bileşenlerinde gerçekçi sonuçlar vermektedir. Beklendiği üzere, fiber hacimsel oranı 0.4'e düştüğünde sonuçların gerçekçiliği artmaktadır.