Geri Dön

Modeling of polymer matrix composites using VBO model and finite element method formulations

Polimer matrisli kompozitlerin modellenmesi ve sonlu elemanlar yöntemi formülasyonları

PDF İndir

  1. Tez No: 457768
  2. Yazar: ALPEREN ACAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Mechanical Engineering, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Konstrüksiyon Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 94

Özet

Polimer malzemeler, hem ağırlık avantajları ve hem de imalat kolaylıkları sebebiyle endüstriyel olarak ve akademik çalışmalarda oldukça yaygın kullanılmaktadırlar. Fakat bu yaygın kullanıma karşın, mekanik özellikleri metalik malzemelere kıyasla çoğunlukla düşük kalmaktadır. Dayanım bakımından karşılaşılan bu yetersizlik bizleri, polimer malzemeleri, çeşitli katkılarla zenginleştirip, dayanımını arttırmaya yöneltmektedir. Diğer yandan, Grafen, 130 GPa kopma mukavemeti ve 1 TPa civarında ölçülmüş elastisite modülü ile, polimerik malzemelerin dayanımını artırabilecek oldukça güçlü bir takviye malzemesi adayı olmaktadır. Fakat ilgili literatür incelendiğinde, bu olağanüstü özelliklere sahip nano malzemenin teknolojisinin, hem endüstriyel hem de akademik anlamda geliştirilmeye muhtaç olduğu anlaşılmaktadır. Bu çalışma, üç aşamadan oluşmaktadır. İlk olarak grafen - epoksi nanokompozit malzeme üretilmiş, gerekli görülen mekanik ve morfolojik testlere tabii tutularak üretilen malzeme karakterize edilmiştir. İkinci olarak, malzemenin toplam viskoelastik - viskoplastik davranışını modellenmiş ve son olarak önerilen model için bir hesaplamalı prosedür oluşturularak sonlu elemanlar yöntemi implementasyonu gerçekleştirilmiştir. Nano malzemerle hazırlanan kompozitlerde karşılaşılan en öneml problem, nano malzemenin topaklanma eğiliminden kaynaklanan, heterojen yapılar olmaktadır. Bu problemin üstesinden gelmek için bu çalışmada grafen öncelikle bir ultrasonik karıştırıcı kullanılarak bir solvent içinde çözdürülmüş, daha sonra epoksi reçine ile karıştırılmıştır. Üretilen malzemenin mekanik karakterizasyonu çekme testleri ve DMA testleri ile gerçekleştirilmiştir. Grafen katkısı ile mekanik özelliklerin iyileştiği gözlenmiştir. Nano kompozitin toplam mekanik davranışını modellemek amacıyla, Çolak, Ahzi ve Remond tarafında 2013 yılında geliştirilen Cooperative-VBO modeli modifiye edilmiştir. Model, gerinim hızı tensörünün eklemeli bir formunu kullanmaktadır. Bu sebeple, modelin viskoelastik ve viskoplastik kısımları ayrı ayrı ele alınmıştır. Grafen katkısının viskoelastik davranış üzerindeki etkisini modellemek için iki adımlı bir Mori-Tanaka şeması kullanılmıştır. Bu yaklaşımla, grafenin etkin olarka çözündüğü ve topaklandığı bölgeler ayrı ayrı ele alınmış ve böylece topaklanmanın elastik davranış üzerindeki nonlineer etkisi modellenmiştir. Epoksi ve grafen takviyeli nanokompozit malzemenin DMA testinden elde edilen depolama modulu modifiye edilen model ile modellenmiştir. ve modelin deney sonuçları ile uyumlu cevap verdiği gösterilmiştir. Viskoplastik kısımda ise, model içindeki iki skalar malzeme parametresi, aktivasyon enerjisi, ΔHβ, ve aktivasyon hacmi V, Tagayanagi ortalaması yaklaşımı ile grafen oranının fonksiyonu olarak tanımlanmıştır. Akma sonrasında görülen non-lineer davranışın modellenmesi amacıyla da tanjant modülü denklemi içindeki iki parametre, ET0 ve α, grafen hacim oranının fonksiyonu şeklinde tanımlanarak tanjant modülü denklemi modifiye edilmiştir. Önerilen model, malzeme üzerindeki grafen katkısını, değişen sıcaklık ve deformasyon hızı ile beraber modelleyebilmektedir. Model cevapları, test sonuçları ile karşılaştırılmış ve oldukça uyumlu oldukları gözlenmiştir. Son olarak, Forward gradient metodu kullanılarak, hesaplamalı bir prosedür oluşturulmuş, böylece önerilen modelin, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılacak yapısal analizlerde bünye denklemi olarak kullanılması mümkün kılınmıştır. Çalışma, ilgili literatüre, epoksi nanokompozit malzemesi için kullanılabilecek özgün bir bünye denklemi kazandırmıştır. Önerilen modelin kestirme yetenekleri değişen grafen oranları için test edilmiş ve oldukça uyumlu sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Çalışmanın ilgili literatüre bir başka katkısı isei model için önerilen hesaplamalı şemadır. Önerilen hesaplamalı çerçeve, bünye denklemini, ileride ihtiyaç duyulması muhtemel yapısal analiz uygulamalarında kullanılmasını mümkün kılmaktadır.

Özet (Çeviri)

Polymeric materials are widely used in industry and researched in academia due to their low weight and ease on processing. But the mechanical properties of polymers are mostly low, in a comparison to metallic materials. Because of low strength and stiffness the mechanical properties of polymers are needed to be enchanced by composing them with various kinds of reinforcements. On the other hand, graphene, is a wonder nano-material which has 130 GPa of ultimate strength and 1 TPa of elastisity modulus. This superior properties of graphene makes it a great candidate for a polymer reinforcing agent. But the relevant literture shows us that the technology of polymer matrix graphene nanocomposites has to be improved to exhibit the superior properties of this nano material. This work has three tresholds, first the production and characterization of graphene-epoxy nanocomposite, second, modeling the total viscoelastic - viscoplastic behavior of the nanocomposite and third part is to implement the proposed model to finite element method for possible future use of the model on structural analysis. In the composition processes with nanomaterials, the biggest drawback is agglomeration of the nanomaterials. In this work, this problem is tried to overcome using a solvent and a sonication procedure before mixing the nano material with the prepolymer (in this work, epoxy resin). The mechanical characterization of the produced material is done by performing tensile tests and DMA tests. The mechanical properties are enchanced with the addition of graphene. In this work, Cooperative-VBO model which is developed for modeling temperature dependent mechanical behavior by ÇOLAK, AHZİ and REMOND is modified to represent the behavior of nanocomposites. For modeling the mechanical behavior of nanocomposites, two main modifications are done. First one is redefining stiffness-temperature model of Mahieux and Reifsdner using a two step Mori-Tanaka scheme. In this scheme, the well dispersed (effective) and agglomerated regions are taken as different phases. Therefore the agglomeration effect of graphene is taken into account. Storage modulus of pure epoxy and graphene-epoxy nanocomposites with different graphene fractions are modeled using the modified model. The model shows good agreement with the experimental results.Second modification is on viscoplastic part,in particular, two scalar material parameters of the plastic strain rate function, activation energy ΔHβ, and activation volume V are redefined as functions of graphene fraction using Tagayanagi averaging approach. For the post - yield behavior of the nanocomposites, two parameters of the previously used tangent modulus function, ET0 and α, are defined as functions of graphene fraction, numerically. Therefore, the total viscoelastic - viscoplastic behavior of graphene nanocomposite materials are defined. The proposed model is capable of modeling material behavior for different temperature and strain rates as well. Model results are compared to test results to test the accuracy, good match with the experimental data is observed. In the last part, a computational procedure is defined using forward gradient method, for finite elemnt method implementation. This part leads the further usage of the proposed model for strucural analysis for possible future applications using nanocomposite materials. This work contributes to the related literature with a unique constitutive equation for modeling of epoxy-graphene nanocomposites. As explained above, the proposed model is capable of modeling the total viscoelastic-viscoplastic, temperature dependent mechanical behavior of such nanocomposites for different graphene fractions. The prediction capabilities of the model is tested through a set of test data, and it is shown that the prediction capabilities of the model are very good. Another unique contribution to the related liteature is the developed computational scheme. With this addition, it is shown that the proposed model can be used for structural analysis on possible future applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    439524

    Doğal lif takviyeli kompozitlerde lif / matris ara yüzey iyileştirme çalışmaları ve çevresel koşullara göre karakterizasyonu

    Fiber / matrix interfacial improvement techniques and characterization due to environmental conditions for natural fiber reinforced composites

    MEHMET SAFA BODUR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL

  2. Tez No

    885749

    Odun polimer kompozitlerin mekanik özelliklerinin tahmininde yapay sinir ağlarının kullanımı

    Modeling of mechanical properties of wood-polymer composites with artificial neural networks

    MUSTAFA ALTAY EROĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Ağaç İşleriKarabük Üniversitesi

    Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SUAT ALTUN

  3. Tez No

    522573

    A modulus gradient elasticity model for nano-reinforced composites

    Nano-güçlendirilmiş kompozitler için bir modül gradyanı elastisite modeli

    HASAN GÜLAŞIK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERCAN GÜRSES

  4. Tez No

    736166

    Design and optimization of variable stiffness composite structures modeled using Bézier curves

    Bézier eğrileriyle modellenen değişken katılıklı kompozit yapıların tasarımı ve optimizasyonu

    ONUR COŞKUN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

  5. Tez No

    406282

    Bis-GMA esaslı dental kompozitlerin fotopolimerizasyonu esnasında oluşan yapısal değişikliklerin matematiksel modellenmesi

    Numerical modeling the structural changes of Bis-GMA-based dental composites during the photopolymerization

    BİLGE SEMA TEKEREK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVİL YÜCEL

Geri Dön