Modeling of the mechanical behavior of composites showing nonlinear material behavior using the embedded element method
Gömülü eleman yöntemiyle doğrusal olmayan malzeme davranışı gösteren kompozit malzemelerin mekanik davranışının modellenmesi
- Tez No: 650832
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BARIŞ SABUNCUOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 101
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.
Özet (Çeviri)
Composite materials are heterogeneous materials that are composed of two or more different materials. They are used in numerous applications, such as, automotive, aerospace, biomechanics application. Accurate and realistic modeling of these materials are important to ensure a high-quality production and obtaining a durable material. Finite element method is the most common choice to model these types of materials. Usual approach in modeling composites is the homogenization of the material properties. However, this approach is only valid under many assumptions. Apart from this limitation, this approach does not allow evaluation of stresses and strains in component materials. In order to achieve more realistic modeling, components should be modeled separately. This approach also has problems with meshing, since continuity between meshes of components should be provided. On the other hand, if component materials have complex shapes, many elements come to existence, which makes the analysis difficult. In order to resolve these issues, embedded element method was developed. In this method, component materials are meshed separately, as embedded and host regions. Constraint equations are defined between these regions such that they behave as a unified material. Continuity of meshes is not needed in this method, hence proper and fewer elements can be used. Besides, modeling of mechanical behavior is not limited to assumptions, and stresses and strains on the components can be investigated. However, in order to achieve realistic results, relative size of embedded regions should be smaller than host region, and host materials should show linear-elastic material behavior. In addition to these limitations, the host material in the embedded region still exists in this method and this redundant volume affects the mechanical behavior. Most common composite host (matrix) materials are thermo-elastic and thermo-plastic materials, and also muscles and tissues show non-linear mechanical behavior. When the embedded region ratio increases, this non-linearity and effect of the redundant volume should be taken into consideration. The aim of this study is to develop a method to use embedded element method for elasto-plastic and inelastic materials. This aim is achieved by developing a custom user subroutine that can be used to define proper material behavior, such that the effect of the redundant volume is eliminated. A single fiber model with single element and multiple elements and a randomly distributed fibers model with a volume fraction of 0.6 is used to test the proposed approach. Obtained results are compared with a continuously meshed version of this model. As it comes out, the proposed model can provide reliable results on S11 and S12 components of stress on a two-dimensional model. Accuracy of these results improves as expected, when the fiber volume fraction decreases from 0.6 to 0.4.
Benzer Tezler
- Numerical and experimental investigation on the crushing behaviour of auxetic lattice cells produced with additive manufacturing techniques
Eklemeli imalat teknikleri ile üretilmiş ökzetik kafes yapıların ezilme davranışlarının nümerik ve deneysel olarak incelenmesi
KADİR GÜNAYDIN
Doktora
İngilizce
2020
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ ANTONIO MATTIA GRANDE
- Creep behavior investigation of 3d printed polyetherimide parts with carbon black reinforcement via experimental analysis and modeling
3b basılmış karbon siyahı takviyeli polieterimid parçaların deneysel analiz ve modelleme ile sürünme davranışının incelenmesi
MERVE KARABAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPTEKİN YILDIZ
- CrCoNiFeMo katkılı B4C matrisli kompozitlerin SPS ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of B4C matrix with addition of CrCoNiFeMo composites by SPS
BURAK ÇAĞRI OCAK
Doktora
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
- Eksenel fonksiyonel derecelendirilmiş rotor pallerinin titreşim analizi
Vibration analysis of axially functionally graded rotor blades
BURAK KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE ÖZDEMİR
- Düzlemine dik doğrultuda dikilmiş fiber takviyeli kompozitlerde translaminer kırılma davranışının araştırılması
Investigation of the translaminar fracture behavior of the fiber reinforced composites stitched perpendicular to their plane
AHMET MURAT AŞAN
Doktora
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METE ONUR KAMAN