Geri Dön

Assessing the combined effects of hold time and overload on crack propagation and implications for failure analysis

Bekleme süresi ve aşırı yükün çatlak ilerlemesi üzerindeki kombine etkilerinin değerlendirilmesi ve hasar analizi için çıkarımlar

PDF İndir

  1. Tez No: 803021
  2. Yazar: ADEM YILMAZ
  3. Danışmanlar: DR. OĞUZ ALTAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Kırılma Mekaniği, malzemelerin mukavemetlerini aşan gerilmelere maruz kaldıklarında oluşabilecek kusurlarla ilgilenen bir mühendislik alanıdır. Kırılma mekaniğinin temelleri 1920 yılında İngiliz mühendis A. A. Griffith'in cam elyafının kırılmasını incelediği zamanlara dayanmaktadır. İkinci Dünya Savaşı sırasında ve sonrasında, uçak parçalarında meydana gelen çatlakları anlamaya yönelik çabalar, kırılma mekaniği üzerindeki araştırmaları daha da hızlandırmıştır. Sonraki yıllarda, George R. Irwin ve arkadaşları tarafından geliştirilen çatlak ucunda oluşan plastik bölge için yaklaşımlar ve gerilme yoğunluk faktörü, bu alanda önemli bir ilerleme sağlamıştır.Gerilme yoğunluk faktörü (SIF), Çatlak Mekaniğinde çatlak ucundaki gerilme alanının¸ şiddetini ölçen önemli bir parametredir. üç temel parametreye bağlı olarak değişmektedir. Bu üç parametre çatlak uzunluğu, çatlak geometri faktörü ve çatlağın açılmasına sebep olan gerilmedir. Çatlağın açılması durumlarını daha ayrıntılı inceleyebilmek için farklı açılma modları geliştirilmiştir. Bu açılma türleri Mod I, Mod II ve Mod III açılma tipidir. Mod I açılma tipi, çatlak açılma yönüne dik yönde uygulanan bir gerilme ile karakterize edilir. Bu gerilme, çatlak uçlarının birbirinden uzaklaşmasına neden olur. Mod I, en yaygın ve genellikle en tehlikeli çatlak modu olarak görülmektedir çünkü oluşabilecek çatlakların genellikle bu modda ilerlediği ve hızla büyüyerek parçayı hasara uğrattığı bilinmektedir. Mod II açılma tipi, çatlak düzlemi boyunca ve çatlak boyuna paralel olan bir kayma gerilmesi altında çatlakların büyüdüğü durumu ifade etmektedir. Bu, genellikle bir malzeme üzerinde tork uygulandığında veya bir malzeme üzerinde sürtünme olduğunda görülmektedir. Mod III, yırtılma modu olarak da bilinir ve düzlem dışı kayma gerilmeleri tarafından oluşur. Diğer iki moda kıyasla daha az sıklıkla görülen bir açılma tipidir. Bu tezde yapılan çalışmanın kapsamı bu noktada başlamaktadır. Bu çalışmada geliştirilen algoritma ve yapılan hesaplamalar mod-1 açılma tipi kabul edilip yapılmıştır. Bu hesaplamalar yapılırken aşama aşama giden bir süreç izlenmiştir. İlk olarak bir parçada çatlak oluşma olasılığı ve parça kalite süreçleri göz önünde bulundurularak başlangıç çatlak uzunluğu belirlenmiştir. Bu uzunluk göz önünde bulundurularak parçalarda ilk değerlendirmelerde genelde kullanılabilecek bir yüzey çatlağı olan yarı eliptik çatlak tipi seçilmiştir. Bu çatlak tipi için yapılacak gerilme yoğunluk faktörü hesaplamaları için literatürde farklı çözümler mevcuttur. Bu çalışmada Newman ve Raju tarafından geliştirilmiş denklemler kullanılarak gerilme yoğunluk faktörü hesapları yapılmıştır. Bu hesaplamalar yapıldıktan sonra bir çatlağın ierleyebilme durumuna karar verebilmek için da/dN-$\Delta$K grafiklerine ihtiyaç vardır. Bir çatlak için ilk gerilme yoğunluk faktörü hesaplandıktan sonra üç farklı durum söz konusu olacaktır. İlk olarak hesaplanan değer malzeme testlerinden elde edilen eşik değerinden düşük ise çatlak ilerlemeyecek ve parça güvenli tarafta kalacaktır. İkinci durum olarak çatlak eşik değerinden büyük ise ilerleyecek ve bu çalışmanın asıl konusunu oluşturan kaç çevrim boyunca bu ilerlemeyi gerçekleştirebileceğidir. Üçüncü olarak ise malzeme testlerinden elde edilen kırılma tokluğu değerini aşan bir hesap yapılırsa parçanın direkt hasara uğradığı kabul edilmektedir. Malzeme testlerinden elde edilen da/dN-$\Delta$K eğrilerinin matematiksel ifade edilmesi için çeşitli literatürde çeşitli denklemler geliştirilmiştir. Bu denklemlere örnek olarak Paris, Sigmoidal ve Forman denklemleri örnek verilebilir. Her üç denklemin de kendi içinde avatajları mevcuttur. Bu çalışmada bir ve üçüncü bölgede olabilecek davranışı daha iyi yansıttığı için hesaplamalarda sigmoidal denklem kullanılmıştır. Yapılacak hesaplarda ortalama gerilmenin etkisini dahil etmek amacıyla geliştirilen yaklaşımlardan Walker modeli kullanılmıştır.Bu model ile R oranı sıfırdan farklı olan yüklemelerin çatlak ilerleme hızı üzerine etkisi dahil edilmiştir. Bu modelde mevcut olan malzemeye bağlı olan“m”parametresi literatürden elde edilmiştir. Çatlak ilerleme hesaplamaları yapılırken kompleks yüklemelere maruz kalan parçalarda direkt olarak bu yükelemeleri kullanmak mümkün değildir. Bu sebeple çevrim sayma yöntemleriyle kompleks yüklemeler daha basit hale indirgenebilmektedir. Bu çalışmada rainflow çevrim sayma yöntemi kullanılarak verilen yüklemeler filtrelerden geçirilerek ve çevrimsel yüklemelere dönüştürülerek kullanılmıştır. Çatlak uçlarında gerilmelerin sonsuz değere gittiği kabul edilmektedir. Bu sebeple çatlak ucunda plastik deformasyon bölgeleri oluşmaktadır. Bu bölgeler çatlak ilerledikçe büyüyen bir davranış gösterdiği için yapılacak ömür hesaplarında parça ömrünü azaltabilmektedir. Bu bölgeleri modelleyebilmek farklı yaklaşımlar mevcuttur. Bu çalışmada Irwin ve Douglas tarafından geliştirilen modeller anlatılmıştır. Irwin modeli, oluşan plastik bölgeyi çatlak ucu etrafında simetrik bir dağılım olarak ele almaktadır. Bu modelde, çatlak ucu çevresindeki plastik bölge, eliptik bir şekilde genişlemektedir. Douglas modeli ise, plastik bölgenin çatlak ucu etrafında asimetrik bir dağılım gösterdiğini önermektedir. Bu modelde, plastik bölge, çatlak ucu tarafındaki yüksek gerilme altında daha yoğun bir şekilde genişlemektedir.Bu iki model arasındaki temel fark, plastik bölgenin simetrisi veya asimetrisi ile ilgilidir. Irwin modeli, plastik bölgeyi simetrik olarak ele alırken, Douglas modeli plastik bölgenin asimetrik olduğunu önermektedir. Bu çalışmada hesaplamalar yapılırken Irwin tarafından önerilen denklemler kullanılmaktadır. Plastik bölge ile diğer ilişkili bir konu ise çatlak ilerleme hızında yavaşlamaya sebep olan Gecikme etkisidir. Bazı görev profillerinde gerilmelerin pik yaptığı yerlerde bir sonra ki adımda oluşabilecek plastik bölgeden daha büyük bir plastik bölge oluşmaktadır. Çatlak, gerilmenin pik noktasında oluşan plastik bölgeyi yeneceği çevrime kadar çatlak ilerleme hızında bir miktar yavaşlama olur ve bu durum parça ömrünü artırmaktadır. Bu durumun modellenmesi için çeşitli yaklaşımlar geliştirilmiştir. Bu çalışmada Willenborg, Generalized willenborg ve Modified generalized willenborg yaklaşımları anlatılmıştır. Hesaplamalarda ise daha robust bir yaklaşım sunduğu ve ömür tayinlerinde daha doğru sonuçlar verdiği için Modified generalized willenborg yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde malzeme testlerine bağlı 4 adet katsayı bulunmaktadır. Bu katsayılar, $\phi$, $\chi$ , $\lambda$ ve $\rho$ ile gösterilmektedir. Bu katsayılar literatürde farklı sıcaklıklar için INCO718 malzemesi için mevcuttur ve bu çalışmada bu malzeme üzerinden hesaplamalar yapılarak bu katsayılar kullanılmıştır. Çatlak ilerleme hesaplarında çevrimsel yüklemelerin yanında, eğer çatlak bir yüklemede uzun süre beklemesi zamana bağlı etkiler de ilerleme üzerinde etkiye sahiptir. Örneğin uçuş profillerinde uzun süreler belirli yükte çatlağın sabit kalması durumunda bu durum da toplam ömür hesabı yapılırken hesaba katılır. Bu konuda çevrimsel ve zamana bağlı yüklemelerin kombine etkilerini hesaplayabilmek için süper pozisyon yöntemi ve interpolasyon yöntemi geliştirilmiştir. Bu tez kapsamında süper pozisyon yöntemiyle zamana bağlı etkiler ele alınmış ve hesaba katılmıştır. Sonuç olarak, bu çalışmada çatlak ilerleme mekanizmasını etkileyen faktörler kullanılarak yorulma ömrü hesaplamaları yapılmış ve bu faktörlerin etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Bu incelemeler için çevrimsel yükleme, Çevrimsel yükleme ile aşırı yükleme, Çevrimsel yükleme ile negatif R oranına sahip aşırı yükleme, Zamana bağlı yükleme ve Aşırı yük altında zamana bağlı yükleme koşulları altında çatlak ilerleme analizleri yapılarak sonuçlar raporlanmış ve ticari bir yazılım ile valide edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Fracture Mechanics is an engineering field that deals with defects that may occur when materials are exposed to stresses exceeding their strengths. The fundamentals of fracture mechanics date back to 1920 when British engineer A. A. Griffith investigated the fracture of glass fibers. During and after World War II, efforts to understand the cracks in aircraft parts accelerated research on fracture mechanics. In later years, approaches for the plastic region formed at the crack tip and the stress intensity factor developed by George R. Irwin and his colleagues have made significant progress in this field. The Stress Intensity Factor (SIF) is an important parameter in Crack Mechanics that measures the intensity of the stress field at the crack tip. It varies depending on three main parameters. These three parameters are crack length, crack geometry factor, and the stress causing the crack to open. Different opening modes have been developed to examine the crack opening situations in more detail. These types of openings are Mode I, Mode II, and Mode III opening type. Mode I opening type is characterized by a stress applied perpendicular to the direction of the crack opening. This stress causes the crack tips to separate. Mode I is seen as the most common and generally the most dangerous crack mode because it is known that the possible cracks usually progress in this mode and grow rapidly, damaging the piece. Mode II opening type refers to the situation where cracks grow under a shear stress parallel to the crack plane and along the crack. This is usually seen when a torque is applied to a material or there is friction on a material. Mode III, also known as the tearing mode, is caused by out-of-plane shear stresses. It is a type of opening that is less frequently seen compared to the other two modes. The scope of the work done in this thesis starts here. In this study, the algorithm developed and the calculations made have been made considering the mod-1 opening type. During these calculations, a process that went step by step was followed. Firstly, the initial crack length was determined considering the probability of crack formation in a part and the part quality processes. This length was taken into account and a semi-elliptical surface crack, which can generally be used in the initial evaluations in parts, was chosen. There are different solutions in the literature for stress intensity factor calculations to be made for this crack type. In this study, equations developed by Newman and Raju were used to calculate the stress intensity factor. After these calculations, da/dN-$\Delta$K graphs are needed to decide on the possibility of a crack progressing. After the first stress intensity factor is calculated for a crack, three different situations will be in question. If the calculated value is lower than the threshold value obtained from material tests, the crack will not progress and the part will remain safe. As the second case, if the crack is larger than the threshold value, it will progress and how many cycles it will be able to carry out this progress is the main subject of this study. Thirdly, if a calculation exceeding the fracture toughness value obtained from material tests is made, it is assumed that the part has suffered direct damage. In order to mathematically express the da/dN-$\Delta$K curves obtained from material tests, various equations have been developed in the literature. Paris, Sigmoidal, and Forman equations can be given as examples of these equations. Each of the three equations has its own advantages. In this study, the sigmoidal equation was used in the calculations as it better reflected the behavior that could occur in the first and third regions. The Walker model, one of the approaches developed to include the effect of the average stress in the calculations, was used. With this model, the effect of loads with an R ratio different from zero on the crack progression rate was included. In this model, the“m”parameter, which depends on the material, was obtained from the literature. When calculating crack progression, it is not possible to directly use these loadings in parts exposed to complex loads. Therefore, complex loads can be simplified by cycle counting methods. In this study, the given loads were filtered and converted into cyclic loads using the rainflow cycle counting method. It is assumed that stresses at the crack tips go to infinity. Therefore, plastic deformation zones form at the crack tip. Since these zones show a growing behavior as the crack progresses, they can reduce the part life in the life calculations to be made. There are different approaches to model these areas. In this study, models developed by Irwin and Douglas were explained. The Irwin model considers the plastic zone forming around the crack tip as a symmetrical distribution. In this model, the plastic zone around the crack tip expands in an elliptical shape. The Douglas model proposes that the plastic zone has an asymmetrical distribution around the crack tip. In this model, the plastic zone expands more intensively under high stress on the side of the crack tip. The main difference between these two models is related to the symmetry or asymmetry of the plastic zone. While the Irwin model considers the plastic zone symmetrical, the Douglas model suggests that the plastic zone is asymmetric. In this study, equations proposed by Irwin were used when making calculations. Another topic related to the plastic zone is the Retardation effect, which slows down the crack progression rate. In some mission profiles, a larger plastic zone is formed in the next step at the places where the stresses peak. There is a certain slowdown in the crack progression rate until the crack overcomes the plastic zone formed at the peak of the stress, and this situation increases the part life. Various approaches have been developed to model this situation. In this study, the Willenborg, Generalized Willenborg, and Modified Generalized Willenborg approaches were explained. The Modified Generalized Willenborg method was used in the calculations as it provides a more robust approach and gives more accurate results in life determinations. In this method, there are four coefficients related to material tests. These coefficients are represented by $\phi$, $\chi$ , $\lambda$ and $\rho$. These coefficients are available for INCO718 material at different temperatures in the literature and calculations were made on this material in this study and these coefficients were used. In crack progression calculations, in addition to cyclic loads, if the crack stays for a long time under one load, time-dependent effects also have an effect on progression. For example, in flight profiles, this situation is also included in the total life calculation when the crack remains stable at a certain load for long periods. In this regard, the superposition method and interpolation method have been developed to calculate the combined effects of cyclic and time-dependent loads. In the scope of this thesis, time-dependent effects were addressed with the superposition method and included in the calculation. As a result, in this study, fatigue life calculations were made using the factors affecting the crack progression mechanism and the effects of these factors were examined in detail. For these examinations, crack progression analyses were made under the conditions of cyclic loading, cyclic loading with overload, cyclic loading with overload with negative R ratio, time-dependent loading, and time-dependent loading under overload, and the results were reported and validated with commercial software.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75289

    Şirket karlılığının artırılmasında insan kaynakları ile ilgili bir model araştırması

    Başlık çevirisi yok

    CÜNEYT DEMİRKAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Yapı İşletmesi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DOĞAN SORGUÇ

  2. Tez No

    816000

    Dialogue for all: Crafting inclusive and humanized voice assistants for diverse populations through an interdisciplinary approach

    Herkes için diyalog: Farklı topluluklar için kapsayıcı ve insani sesli asistanlar oluşturmak üzerine disiplinler arası bir yaklaşım

    YELİZ YÜCEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İletişim BilimleriGalatasaray Üniversitesi

    Radyo Televizyon ve Sinema Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEREM RIZVANOĞLU

  3. Tez No

    878609

    Yetenek yönetimi süreçlerinin yaygınlaştırılmasında bütünleşik mobil uygulamalarının etkisi

    The impact of integrated mobile applications on the dissemination of talent management processes

    AHMET ANIL KOÇAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UFUK CEBECİ

  4. Tez No

    75312

    Okunabilir kopyalama algoritmalı DSM sisteminin gerçeklenmesi

    Başlık çevirisi yok

    ÖZGÜR KORAY ŞAHİNGÖZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TAKUHİ NADİA ERDOĞAN

  5. Tez No

    851004

    Effects of carrying heavy backpacks on back muscles and range of motion of joints during level and inclined walking

    Ağır sırt çantası taşımanın düz ve eğimli yürüyüş sırasında sırt kasları ve eklem hareket açılığı üzerindeki etkileri

    FATMA ALNAMROUSH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    BiyomühendislikBahçeşehir Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BORA BÜYÜKSARAÇ

Geri Dön