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
- Negatif basınçlı temiz odalar bulunan bir tesisin havalandırma sisteminin tasarımı
Air condition system design of a facility containing negative air pressure rooms
DOĞAÇ TANRIÖVER
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU
- Taşıt gövde tasarımında kompozit malzeme kullanımının sonlu eleman analizleri ile incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of composite material applicability for vehicle chassis by finite element analysis
RECEP UFUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE
- Reservoir computing model using a single nonlinear nanoelectromechanical resonator at atmospheric conditions
Atmosferik koşullarda tek bir doğrusal olmayan nanoelektromekanik rezonatör kullanan rezervuar hesaplama modeli
ENİSE KARTAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET SELİM HANAY
- High-q micromechanical resonators and filters for ultra high frequency applications
Çok yüksek frekanslı uygulamalar için yüksek kalite faktörlü mikromekanik rezonatörler ve filtreler
VAHDETTİN TAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Design, fabrication and characterization of surface plasmon resonance based MEMS displacement sensors
Yüzey plazmon rezonansına dayalı MEMS yerdeğiştirme algılayıcılarının tasarım, üretim ve karakterizasyonu
HASAN GÜNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİM ÇIRACI
YRD. DOÇ. DR. AYKUTLU DANA