Analysis of crack initiation and propagation in solid rocket motor nozzle throats
Katı yakıtlı roket motor boğazlarında çatlak oluşumu ve ilerlemesi
- Tez No: 609253
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEZER ÖZERİNÇ, DOÇ. DR. DEMİRKAN ÇÖKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Grafit, nükleer reaktörler ve roket lüleleri gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Bu uygulamalar açısından grafitin temel avantajları yüksek erime noktası ve yüksek sıcaklıklarda mekanik mukavemeti ve bütünlüğü koruyabilmesidir. Grafitten yapılmış lüleler, çok yüksek sıcaklıklara ve basınçlara maruz kaldığından çatlak oluşumu ve buna bağlı hasar yaygın olarak görülmektedir. Bu tezin amacı, söz konusu çatlak oluşumu ve parça kopmasının nedenlerini araştırmak ve bu sorunun üstesinden gelmek için tasarım alternatiflerini incelemektedir. Tezin deneysel kısmı Mersen-2020 grafit üzerinde gerçekleştirilen basma testleri, çekme testleri ve kırılma tokluğu testlerini içermektedir. Basma ve çekme testlerinde bimodüler davranış görülmüştür. Kırılma tokluğu testleri Tek Kenar Çentik Bükme (TKÇB) numuneleri ile yapılmıştır ve grafitin kırılgan yapıda olduğu doğrulanmıştır. Grafitin deneysel olarak ölçülen malzeme özelliklerine dayanarak, iki boyutlu bir sonlu elemanlar modeli ile çatlak ilerleme davranışı incelenmiştir. Analizler üç adımda yapılmıştır. İlk adım, lüledeki akışın hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile analizidir. Bu adımın sonuçlarını kullanarak, ikinci adımda lüle içindeki sıcaklık değişimleri öngörülmüştür. Modellemenin son ve en kapsamlı kısmında, ikinci aşamada elde edilen sıcaklık değişimlerinin yol açtığı termal gerilimler ve buna bağlı çatlak oluşumu ve ilerlemesi, Genişletilmiş Sonlu Elemanlar Yöntemi ile ele alınmıştır. Analiz sonucunda, çatlakların, lülenin akış yüzeyine bitişik bölgedeki sıkıştırma gerilmelerinin neden olduğu mod II çatlaklar olduğu belirlenmiştir. Sadece 5 saniye içerisinde bu çatlaklar grafit parçalarının kopmasına neden olmakta ve lülenin akış dinamiklerini olumsuz etkilemektedir. Akıştaki değişim, hedeflenen itme kuvvetini doğrudan etkilemekte ve güvenilir olmayan bir performansa yol açmaktadır. Analizler kapsamında son olarak çok sayıda grafit parçasından oluşan tasarım alternatifleri ele alınmıştır. Analiz sonuçları, lülenin küçük parçalara bölünmesinin kritik bölgelerdeki gerilmeleri azalttığını ve lülenin hasarını geciktirdiğini göstermektedir. Sonuç olarak tez, grafit roket lülelerdeki hasar oluşumu mekanizmaları hakkında önemli bilgiler sunmuş ve daha güvenilir ve yüksek performanslı lüleler için bir tasarım yaklaşımı ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
Graphite is a widely used material in high-temperature structural applications due to its high melting point and its mechanical strength and integrity at elevated temperatures. However, rocket nozzles made of graphite are subjected to very high temperatures and pressures that cause cracking and eventual failure. This thesis investigates the reasons for failure and explores design alternatives to overcome this problem. The experimental part of the thesis includes compression tests, tensile tests and fracture toughness tests on Mersen-2020 graphite. Compression and tensile tests showed a bimodular response. Fracture toughness tests involved Single Edge Notch Bend (SENB) specimens and demonstrated the brittle nature of graphite. Based on experimentally measured materials behavior of graphite, a two-dimensional finite element model investigated the crack propagation behavior. The analyses were done in three steps. The first step was the computational fluid dynamics analysis of the flow through the nozzle. Using the results of this step, the second step predicted the temperature variations within the nozzle. The final and most extensive part of the modeling consisted of the Extended Finite Element Method applied to the nozzle geometry experiencing thermal stresses based on the analysis in the second step. The results show that the cracks are mostly mode II cracks induced by the compressive stresses next to the flow surface of the nozzle. Within only 5 seconds, these cracks result in graphite pieces breaking off, which adversely affects the flow dynamics of the nozzle. The change in the flow directly impacts the desired thrust force and results in an unreliable performance. As the final part of the analysis, the thesis considered some alternative nozzle designs that utilize a segmented geometry consisting of individual graphite parts. Several geometries were analyzed for their crack propagation behavior. The results show that careful segmentation of the nozzle relieves the stresses in critical regions and delay the failure. The thesis provides insight into the mechanisms of failure in graphite rocket nozzles and presents a design approach for superior and more reliable performance.
Benzer Tezler
- Eksenel gerilme, eğilme ve burulma yüklerine maruz katı silindirik yapılarda dönmüş yüzey çatlaklarının karışık mod kırılma analizleri
Mixed mode fracture analyses of deflected surface cracks in solid cylindrical structures under tension, bending and torsion loads
ÇAĞATAY ORHUN ORAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ OSMAN AYHAN
- The Influence of design parameters on solder joint reliability in electronic packages
Tasarım parametrelerinin elektronik paketlerde kullanılan lehim bağlantılarının güvenilirliğine etkisi
AYLİN YENİLMEZ
- Katı çözelti sertleşmesinin küresel grafitli dökme demirin dönel eğmeli yorulma davranışına etkisi
Effect of solid solution strengthening on rotating bending fatigue behaviour of ductile cast iron
BARIŞ ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Karışık mod yük altında bulunan elastik-plastik malzemelerin üç boyutlu kırılma davranışları için yöntem ve ilgili kriterlerin geliştirilmesi
Development of methods and related criteria for the three-dimensional fracture behavior of elastic-plastic materials under mixed mode loading
EMRE KURT
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ OSMAN AYHAN
- Çimento ile stabilize edilen zeminlerin mikromekanik ve kohesif kırılma özelliklerinin araştırılması
Investigation of micromechanical and cohesive fracture properties of cement stabilized soils
MERVE KARTAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİzmir Demokrasi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NAZİFE DOĞAN
