A unified approach for amplitude dependent finite viscoelasticity of rubber-like materials
Kauçuk benzeri malzemelerin genliğe bağlı sonlu viskoelastisitesi için bütünleşik yaklaşım
- Tez No: 1001692
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSNÜ DAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Elastomerik malzemeler, şok ve titreşim izolatörleri gibi büyük deformasyon gerektiren mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu bileşenlerin dinamik performansı, büyük ölçüde şekil değiştirme genliğine (Payne etkisi) ve yükleme hızına karmaşık bağımlılıklar gösteren malzemenin viskoelastik özelliklerine dayanır. Büyük şekil değiştirme viskoelastisitesini veya küçük şekil değiştirme dinamik tepkilerini ayrı ayrı karakterize eden çok sayıda model mevcut olsa da, her iki olguyu aynı anda yakalayabilen bütünleşik bir çerçeve önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir. Bu tezde, dolgulu elastomerlerin doğrusal olmayan hız ve genliğe bağlı davranışını tahmin etmek için bütünleşik bir yapısal modelleme çerçevesi geliştirilmiştir. Serbest enerji fonksiyonu denge ve denge dışı kısımlara ayrılmıştır. Denge tepkisi, entropik elastisiteyi ve topolojik tüp kısıtlamalarını hesaba katan genişletilmiş sekiz zincir modeli ile karakterize edilir. Denge dışı tepki, yeni bir doğrusal olmayan kuvvet kanunu (power-law) evrim denklemi ve genliğe bağlı bir iç değişken formülasyonu ile güçlendirilmiş mikro küre tabanlı bir yaklaşım kullanılarak formüle edilmiştir. Bu özel yapı, değişken yükleme koşulları altında doğrusal olmayan viskoz akışın ve yumuşama olaylarının tahmin edilmesini sağlar. Modeli doğrulamak için tek eksenli ve eş iki eksenli çekme, gerilme gevşemesi ve dinamik mekanik analiz (DMA) testleri kullanılmıştır. MATLAB ortamında genetik algoritmalar ve gradyan tabanlı çözücüleri (\textit{fmincon}) birleştiren hiyerarşik bir malzeme parametre tanımlama stratejisi geliştirilmiştir. Gerilme süperpozisyonu sorunlarının üstesinden gelmek için yeni bir iteratif optimizasyon şeması sunulmuştur. Sonuçlar, önerilen modelin büyük deformasyon hiperelastik davranışını ve zamana bağlı gerilme gevşemesini doğru bir şekilde yakaladığını göstermektedir. Ayrıca model, Payne etkisiyle ilişkili depolama modülünün genliğe bağlı yumuşamasını başarıyla yeniden üretmektedir. Hassasiyet analizleri, önerilen kuvvet kanunu üssünün gevşeme davranışını kritik bir şekilde yönettiğini ve geçici tepkinin ayarlanması için fiziksel bir temel sağladığını ortaya koymaktadır. Bu bütünleşik çerçeve, karmaşık statik ve dinamik yükleme rejimlerine maruz kalan kauçuk bileşenlerin tasarımı ve analizi için sağlam bir araç sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Elastomeric materials are extensively used in engineering applications requiring large deformations, such as shock and vibration isolators. The dynamic performance of these components relies heavily on the material's viscoelastic properties, which exhibit complex dependencies on strain amplitude (Payne effect) and loading rate. While numerous models exist to characterize either large-strain viscoelasticity or small-strain dynamic responses individually, a unified framework capable of capturing both phenomena simultaneously remains a significant challenge. In this thesis, a unifying constitutive modeling framework is developed to predict the non-linear rate and amplitude-dependent behavior of filled elastomers. The free energy function is decoupled into equilibrium and non-equilibrium parts. The equilibrium response is characterized by the extended eight-chain model, which accounts for entropic elasticity and topological tube constraints. The non-equilibrium response is formulated using a microsphere-based approach, augmented by a novel non-linear power-law evolution equation and an amplitude-dependent internal variable formulation. This specific structure allows for the prediction of non-linear viscous flow and softening phenomena under varying loading conditions. To validate the model, uniaxial and equibiaxial tension, stress relaxation, and dynamic mechanical analysis (DMA) tests are used. A hierarchical material parameter identification strategy was developed in MATLAB, combining genetic algorithms and gradient-based solvers (\textit{fmincon}). A novel iterative optimization scheme was introduced to overcome the issues for stress superposition. The results demonstrate that the proposed model accurately captures the large-deformation hyperelastic behavior and the time-dependent stress relaxation. Furthermore, the model successfully reproduces the amplitude-dependent softening of the storage modulus associated with the Payne effect. Sensitivity analyses reveal that the proposed power-law exponent critically governs the relaxation behavior, providing a physical basis for tuning the transient response. This unified framework offers a robust tool for the design and analysis of rubber components subjected to complex static and dynamic loading regimes.
Benzer Tezler
- Soğuk gaz itki sistemlerinde tribolojik iyileştirme ile hassas itki kontrolu
Fine thrust control in cold gas propulsion systems through tribological improvements
FIRAT MEHMET GÜNKAN
Doktora
Türkçe
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKER MURAT KOÇ
DR. BÜLENT SÜMER
- Ann-assisted numerical modelling of lifetime estimation for single crystals in turbine blades
Türbin kanatlarinda tek kristallerin ömür tahmini için yapay sinir aği destekli sayisal modellemesi
UTKU KAFTANCIOĞLU
Doktora
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiAtılım ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR ASLAN
- Rulmanlarda sürünme riskinin deneysel olarak incelenmesi ve rulman tasarım parametrelerinin sürünme üzerine etkisinin analizi
Experimental investigation of creep risk on bearings and analysis of bearing design parameters for creep
AHMET HAKAN BOZKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN
- Helikopter uygulamaları için doğrusal olmayan dinamik titreşim yutucusu tasarımı ve analizi
Design and analysis of a nonlinear dynamic vibration absorber for helicopter applications
ÖZKAN KARAYİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ TATAR
- Polimer-metal kuru sürtünmesi ve tutma-bırakma titreşimleri
The Friction of polymers on rigid surfaces and stick-slip vibrations
OĞUZHAN DEMİRAL