Geri Dön

Three-dimensional elastic-plastic dynamic fracture analysis for stationary cracks using enriched elements

Hareketsiz çatlaklar için zenginleştirilmiş elemanlar kullanarak üç boyutlu elastik-plastik dinamik kırılma analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 807734
  2. Yazar: MURAT SARIBAY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HERMAN F. NIED
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2009
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Lehigh University
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 227

Özet

Bu çalışmada, elastoplastik malzeme özellikleri göz önüne alınarak, dinamik yükleme altında üç boyutlu ve sabit çatlak problemleri incelenmektedir. Elastoplastik malzeme davranışlı ve çatlak barından yapıların dinamik olarak yüklemeye maruz kalması problemi ilgili alandaki statik problemlere göre daha karmaşıktır ve hesaplama zamanının fazla olmasından ötürü bilim insanları açısından zorlayıcıdır. Çoğu kritik uygulamadaki statik çözümlerin yetersizliğinden ötürü, dinamik yüklemenin olduğu elastoplastik problemlerin analizinin önemi son zamanlarda artmıştır. Statik ve dinamik problemler arasındaki temel fark, dinamik problemlerdeki gerilme ve gerilme yoğunluk faktörlerinin benzer statik çözümlere göre çok daha yüksek değerlere sahip olabilmesidir. Darbe yüklemesi örneğinde olduğu gibi, ani bir dinamik yükleme sonucunda kırılma sebebiyle oluşacak arızalar beklenmedik şekilde ortaya çıkabilir. Bu tarz bir analiz, yarı-iletken, otomotiv, yüksek hızlı makineler ve askeri uygulamalar gibi endüstriyel alanlarda ön plana çıkmaktadır. Elastoplastik malzemelerin var olduğu statik ve dinamik kırılma problemleri arasında bazı temel farklar bulunmaktadır. Bu farklar, tipik bir statik problemde mevcut olmayan bazı özellikler kapsamında anlatılabilir: gerilme dalgalarının yayılmasına sebep olan eylemsizlik etkisi, malzemenin akma değerini etkileyen malzemenin gerinme oranı (hızı) ve sıcaklığa bağlılığı, dinamik J-integrali, gerilme yoğunluk faktörü ve çatlak ucu açılma deplasmanı (CTOD) gibi kırılma parametrelerinin hesaplanması için gerekli olan zaman integrasyonu. Bu tezde, bahsi geçen çalışma için geliştirilmiş analiz metodolojisinin gösterilmesi amacıyla, üzerinde durulan konu üç kısma ayrılabilir. İlk kısımda, dinamik analizin sonlu elemanlar formülasyonu ve dinamik doğrusal elastik kırılma problemleri için gerilme yoğunluk faktörlerinin hesaplanması konularını içeren temel prensiplerden bahsedilecektir. Bu problemler, homojen ve çatlaklı yapılar olabileceği gibi, iki farklı malzemenin ara yüzünde bulunan çatlak şeklinde de olabilir. Kırılma probleminin analizi, zenginleştirilmiş özel elemanların çatlak ucu etrafında konuşlandırılmasıyla ortaya çıkan Zenginleştirilmiş Sonlu Elemanlar Metodu ile gerçekleştirilmektedir. Dinamik analiz, açık (explicit) ve kapalı (implicit) zaman integrasyonu metotlarını içermektedir ve bu metotlar gene bu kısımda açıklanmıştır. Dinamik doğrusal elastik kırılma mekaniği (LEFM) alanının mühendislik açısından önemi ortaya konmakla beraber elde edilen çözümler literatür sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. İkinci bölümde ise, elastoplastik malzeme özelliğine sahip ve çatlak içeren yapıların analizi için gerekli olan aşamalar adım adım açılanacaktır. Doğrusal olmayan elastoplastik analiz için kullanılan dinamik bir zaman integrasyonun algoritması verilmektedir ve bu metot ile elde edilen sonuçlar literatür çözümleriyle karşılaştırılmaktadır. Gerinme oranı (hızı) ve sıcaklığın plastik deformasyona uğramış bir malzemenin akma değerine etkileri de belirtilmektedir. Çatlak ucu alanının elastik sınırlarda kaldığı varsayılan bir problemde (LEFM kuralları), gerilme yoğunluk faktörü parametresinin kullanılması kırılma olayını karakterize etmek açısından uygun olabilir. Bununla birlikte, eğer çatlak ucu alanı elastik sınırlarda kalmıyorsa ve LEFM kuralları geçerli değil ise, kırılma problemini karakterize etmek için başka parametrelerden faydalanmak doğru olur. Bu noktada, çatlak problemi değerlerini ölçmek için J-integrali ve çatlak ucu açılma deplasmanı (CTOD) hesaplamaları kullanılabilir. J-integralinin hesaplanması için özel bir teknik gerekmektedir ve bu amaçla alan integrali algoritması geliştirilip uygulanacaktır. Bu tezde verilen analizler çoğunlukla dinamik yükleme altındaki problemleri kapsamaktadır. Dinamik bir problemin çözümünde, özellikle serbestlik derecelerinin sayısı çok fazla ise bilgisayar destekli çözümlerde uzun sürebilen zaman adımları vardır. Buna ek olarak, elastoplastik malzeme özelliği de mevcut ise problem çözüm zamanları önemli seviyelere ulaşabilir. Ayrıca, serbestlik derecelerinin toplam sayısının sonlu elemanlar probleminde oldukça yüksek olması sebebiyle bilgisayarın hafıza depolama alanının kullanımı açısından verim sorunu ortaya çıkabilir. Bilgisayar destekli hesaplamalar konusunda ihtimal olarak görülen ve bahsedilen sorunlar dolayısıyla araştırmada kullanılan sonlu elemanlar kodunun paralel versiyonunun geliştirilmesi uygun görülmüştür. Son kısımda, paralel kod geliştirmeleri ile alakalı sonuçlara yer verilmiştir. Bu çalışmada ortaya konan nümerik örneklerin çoğunda Lehigh Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü'nde geliştirilen özel bir sonlu elemanlar programı kullanılmıştır. Bazı örneklerde ise, yazar tarafından geliştirilen program kısımlarının kullanımı ile elde edilen sonuçların karşılaştırılmasında ANSYS programından faydalanılmıştır.

Özet (Çeviri)

In this study, three-dimensional dynamically loaded stationary crack problems are evaluated by taking into consideration elastoplastic material properties. These types of problems, in which elastoplastic cracked structures are loaded dynamically, has been a great challenge for many scientists, due to the fact that the solutions are much more complicated and computationally time consuming than corresponding static problems. Analysis of dynamically loaded problems where elastoplastic materials exist within the structure has become a very important research subject recently, because of the inadequacy of the static solutions in many critical applications. The basic difference between a static and a dynamic problem is the fact that stresses or stress intensity factors in a dynamic analysis can be much higher than the corresponding static values. In the case of a sudden dynamic loading, failure due to fracture can happen unexpectedly, e.g. fracture during impact loading. This analysis may be very important in various applications in the semiconductor industry, automotive vehicles, high speed machinery and military applications. There are some basic differences between static and dynamic fracture problems in which elastoplastic materials are present. These differences can be summarized with the inclusion of some effects which are not present in a typical static problem; inertia effects which leads to the propagation of stress waves, strain rate and temperature dependency of the material properties that affect the yield stress of the material, and the necessity for a time integration to calculate the fracture parameters w.r.t time, such as the stress intensity factors, dynamic J-integral and the crack tip opening displacement (CTOD). In this dissertation, the main task of interest can be subdivided into three different parts, in order to demonstrate the analysis methodology developed in the course of this study. The first part will show the basic principles of linear elastic dynamic fracture modeling, including the finite element formulation of the dynamic analysis and the calculation of stress intensity factors for dynamic linear elastic fracture problems. These problems may be in the form of a homogenous cracked structure, or an interface crack which lies between two dissimilar materials. The analysis of the fracture problem is demonstrated with the aid of the Enriched Finite Element Method, which embeds special elements around the crack tip, called enriched elements. The dynamic analysis involves explicit and implicit time integration methods, and these methods will also be explained in this part. The engineering meaning of dynamic linear elastic fracture mechanics (LEFM) is demonstrated and compared with known results from the literature. Analyzing cracked structures with elastoplastic material properties needs a step-by-step procedure and this will be described in the second part of this study. A dynamic time integration algorithm for nonlinear elastoplastic analysis is explained and comparisons are made with known results from the literature. Possible effects of strain rate and temperature on the yield stress of a plastically deforming material are also investigated. For a problem in which the crack tip zone is assumed to be elastic (small scale yielding conditions under LEFM rules), the stress intensity factors may still be considered as an appropriate parameter for fracture characterization. However, if the crack tip zone is not small and LEFM rules can not be justified, then different parameters should be utilized to characterize the fracture problem. At this point, it is expected that J-integral and CTOD calculations can be very useful to be able to quantify the crack problem. For the calculation of the J-integral in a cracked body, a special technique is definitely required, and the domain integral algorithm will be developed and applied for this purpose. The analysis that is presented in this dissertation mostly involves dynamically loaded problems. In a dynamic problem, there are numerous time steps that may lead to a very computationally time consuming process, especially if the number of DOFs is high. In addition, if the problem requires an elastoplastic analysis, then these time considerations for the solution of a specific dynamic problem can become an overriding issue. Finite Element (FE) problems sometimes can become far too large, in terms of the total DOFs, for efficient in core memory storage. In order to deal with both of these computational matters, the development of parallelized versions of the current research FE code was considered to be necessary. Results regarding improvements associated with parallel computing developments are presented in the last chapter. Most of the numerical examples presented in this study were evaluated using a specialized FE software that was developed at Lehigh University ME&M department. In a few instances, ANSYS commercial software, was used to compare results, with software developed by the author.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    596118

    Mevcut betonarme bir binanın çelik kat ilavesi sonrası güçlendirilerek 2018 TBDY kapsamındaperformansının değerlendirilmesi

    Evaluation of the performance of an existing reinforced concrete building retrofitted after steel floor addition under the scope of 2018 TBEC

    UFUK YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLİZ BAYRAMOĞLU

  2. Tez No

    798239

    Darbe hasarına maruz kalan sandviç kompozitlerin statik mukavemetinin incelenmesi

    Investigation of static strength of sandwich composites subjected to impact damage

    ABDULLAH İKİZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU

  3. Tez No

    737040

    Gaz türbinli havacılık motorlarında sincap kafes yapısının eksenel yük kapasitesi hesaplarının gerçekleştirilmesi ve yükleme testi ile sonuçların doğrulanması

    Determination of axial load capacity of squirrel cage structure on gas turbine engines and verifying the results by a loading test

    GÖKHAN PARLAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN

  4. Tez No

    75620

    TİN kaplama parametrelerinin aşınma davranışı üzerindeki etkisi

    The Effect of coating parameters on the wear behaviour of TİN

    OĞUZ AKKAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. E. SABRİ KAYALI

  5. Tez No

    876332

    Globoid dişli sistemleri için alternatif dişli malzemelerinin belirlenmesi ve incelenmesi

    Investigation of alternate bronze materials about globoidal wormgear

    MUSTAFA SAĞLAM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OSMAN HAMDİ METE

Geri Dön