Micromechanical modeling of semicrystalline polymers with spherulite morphology
Küresel mikro yapı morfolojili yarı kristal polimerlerin mikromekanik modellenmesi
- Tez No: 697197
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERDAR GÖKTEPE, DOÇ. DR. ERCAN GÜRSES
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, İnşaat Mühendisliği, Mechanical Engineering, Engineering Sciences, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 264
Özet
Bu çalışmada yarı kristal polimerler için mikromekaniksel bir bünye denklemi geliştirilmiştir. Modelde bölgelerin komşularıyla etkileşimi aynı ölçekte dikkate alınmaktadır. Komşuluk bilgisi polietilenin iyi karakterize edilmiş olan küresel mikro yapı morfolojisinden alınmıştır. Bünye denkleminde kullanılan yaklaşımla benzerlikleri bulunan disk biçimli bir küresel mikro yapı modelinin şekil değiştirme özellikleri sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Modelde, disk biçimli küresel mikro yapı düzlemsel arayüzlerle amorf ve kristal dilimlere ayrılır. Yarı kristal polimerlerin amorf ve kristal fazlarının küresel mikro yapı ölçeğinde uyumlu şekil değiştirebilmesi, modelin ayırt edici özelliğidir. Ayrıca üç boyutlu bir küresel mikro yapı modeli daha geliştirilmiştir. Kristal fazın sadece kristalografik kayma ile plastik şekil değiştirmesi yaklaşımının, deneysel gözlemlerin aksine, küresel mikro yapıların kutup bölgelerinde kolay plastik akmaya neden olduğu bulunmuştur. Bu basitleştirme bildiğimiz tüm yarı kristal polimer modellerinde kullanılmaktadır. Basitleştirilmiş disk-biçimli küresel mikro yapı modelleri elde etmek için, birinci dereceden lamelleri istenen sayıda katmanlanma doğrultusuna izin verecek şekilde geliştirerek komşuluk ilişkilerini dikkate alan bir dizi yenilikçi yöntem önerilmiştir. Birinci dereceden lamelin tek tip gerinim alanı yaklaşımı değiştirilmediğinden, bu yöntemlerle ara yüzlerde denge ve kinematik uyum koşulları artık tam olarak birlikte sağlanmamaktadır. Önerilen yöntemler tutarlı ortalama yaklaşımlarıdır ve Hill'in enerji kriteri ile ölçeklerin ayrılması prensibini sağlar. Bu özellikleri sayesinde mikromekanik bünye denklemlerinde kullanılabilirler. Disk biçimli küresel mikro yapı ve küresel yapılarda görülen burgulu lamel yapısı bu yöntemlerle modellenmiştir. Disk biçimli modellerin davranışı yaklaşık olarak enine yönbağımsızken, burgulu lamel modelinde de istenen bir çekme-basma asimetrisi bulunmuştur. Ayrıca farklı bir basitleştirilmiş disk biçimli küresel mikro yapı modeli, tek tip gerinim alanı yaklaşımını kullanmadan paralel olmayan birinci dereceden lamellerin silindirik koordinat sisteminde uyumlu bir gerinim alanıyla birleştirilmesiye elde edilmiştir. Bu gerinim alanı lokal olmayan bünye denklemlerinin birinci dereceden lamellerle de kullanılmasını sağlayabilir. Disk biçimli küresel mikro yapı modellerinin Taylor tipi homojenleştirmeye uygun olan simetrik ve bir çok ortak kayma sistemi bulunan kristallere benzediği değerlendirilmiştir. Böylece, yüksek yoğunluklu polietilen için bir bünye denklemi rastgele yönelimli disk biçmli küresel mikro yapı modellerinin Taylor tipi homojenleştirilmesi ile elde edilmiştir. Fazların bünye denklemleri ile malzeme parametreleri ise literatürden alınmıştır. Bünye denkleminin gerilme-gerinim davranışı ve doku gelişimi literatürle uyumludur. Bünye denkleminin ultra yüksek yoğunluklu polietilene uyarlanmasına çalışılmış, yüzey dokusunun sürtünme katsayısına etkisini inceleyen sonlu elemanlar analizleri literatürden alınan bir bünye denklemiyle yapılmıştır.
Özet (Çeviri)
In this study, a micromechanical constitutive model for semicrystalline polymers is developed. The proposed model considers interactions among the adjacent regions at the same length scale. The neighborhood information is obtained from the well characterized spherulite morphology of polyethylene. Deformation characteristics of a disk-like spherulite model that has similarities with the considered modeling approach are studied using the finite element method. The model discretizes a disk-like spherulite into amorphous and crystalline slices, separated by planar interfaces. Consistent deformation of the amorphous and crystalline phases of semircystalline polymers at the spherulite length scale is the distinctive feature of the model. A three-dimensional spherulite is also modeled, and it is found that the employment of the crystallographic slip as the only plastic deformation mode of crystalline phase leads to plastically soft polar regions in spherulites, and therefore contradicts with the experimental observations. This simplification is employed in all semicrystalline polymer models that we are aware of in literature. In order to obtain a simplified disk-like spherulite model, a set of methods that consider the neighborhood information is developed by extending the rank-1 laminates to support an arbitrary number of lamination directions. The equilibrium and compatibility conditions are not exactly satisfied together on the interfaces, as a consequence of the uniform strain field assumption of rank-1 laminates. The methods are consistent averaging schemes, and satisfy the Hill's energy criterion and the separation of length scales principle. According to these qualities, they could be employed in micromechanical constitutive models. Disk-like spherulite and twisted lamellar microstructure of the spherulites are modeled with the methods. Approximately transversely isotropic responses are obtained in the disk-like spherulite, and a desired tension-compression asymmetry is observed in the twisted lamellar microstructure model. Additionally, without uniform strain field assumption, another simplified disk-like spherulite model is obtained by connecting non-parallel rank-1 laminates with compatible strain fields in cylindrical coordinates, which may enable application of non-local constitutive models in rank-1 laminates. The disk-like spherulite models are considered as the analogous of the symmetric crystals with many common slip systems that are known to be good candidates for Taylor-type homogenization. A constitutive model for high density polyethylene is obtained with Taylor-type homogenization of randomly oriented realizations of the disk-like spherulites, where the elasto-viscoplastic constitutive models of the phases and their parameters are adopted from the literature. The stress-strain response and texture evolution of the model are in line with the literature. An attempt to obtain a micromechanical constitutive model for ultra high molecular weight polyethylene is also presented, and the influence of surface texture on the friction coefficient is studied using the finite element method and a constitutive model from literature.
Benzer Tezler
- Micromechanical modeling of carbon nanotube-polymer composites
Karbon nanotüp-polimer nanokompozitlerinin mikromekaniksel modellemesi
VAHİDULLAH TAÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERCAN GÜRSES
- Dokumalı kompozitlerde mikromekanik modelleme
Micromechanical modeling of fabric composites
ZEHRA ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Makine MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER SOYKASAP
- Micromechanical modeling of failure in dual phase steels through cohesive zone and crystal plasticity modeling frameworks
Kohezif bölge ve kristal plastisite modelleme çerçeveleri ile çift fazlı çeliklerde hasarın mikromekanik modellenmesi
İLBİLGE UMAY AYDINER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUNCAY YALÇINKAYA
- Computational modelling of hydrogen-induced failure in metallic materials
Metalik malzemelerde hidrojen kaynaklı kırılmanın hesaplamalı modellenmesi
BERKEHAN TATLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUNCAY YALÇINKAYA
- Tailor-welded saclarda kaynak bölgesinin mekanik özelliklerinin mikro ve makro boyutta incelenmesi
Investigation of mechanical properties of Tailor-welded blanks' fusion zone in micro and macro scale
EKREM ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiNecmettin Erbakan ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ARIKAN