Investigation of frictional sliding behavior: Experimental and numerical studies
Kayma sürtünme davranışının incelenmesi: Deneysel ve sayısal çalışmalar
- Tez No: 846452
- Danışmanlar: PROF. DR. DEMİRKAN ÇÖKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
Yapışma-kayma ve sürekli kayma davranışları açısından kayma sürtünmesinin kararlılığı ve bu davranışları yönlendiren mekanizmalar triboloji, jeomekanik ve kontrol mühendisliği alanlarında ilgi çeken bir konudur. Bu tezde, kayma sürtünmesinin kararlılığı hem deneysel hem de sayısal olarak incelenmiştir. Deneyler, basınç yüklemesi altındaki iki plakanın yandan tahrikli doğrudan kesme deneyleri ile gerçekleştirilmiştir. Sayısal yöntem, üstten bir sürücü tarafından çekilen kütle-yay birimlerinden oluşan, esnemez bir düzlemin üzerindeki kayan bir plakanın arayüzünü temsil eden Maxwell-kayma modelini ve Burridge-Knopoff modelini kullanır. Deneylerde, yüzey pürüzlülüğünün ve başlangıç basınç geriliminin etkileri üç malzeme çifti kullanılarak araştırılmıştır: PMMA/PMMA, TPU/PMMA ve PLA/PLA. PMMA yüzeylerindeki pürüzlülükler, numunelerin farklı zımpara kağıtlarıyla zımparalanmasıyla, PLA yüzeylerindeki pürüzlülükler ise 3D yazıcıda baskı yönünün değiştirilmesiyle oluşturulmuştur. PMMA malzemesi için, daha yüksek başlangıç basınç geriliminin kayma modunu sürekli kaymadan yapışma- kayma davranışına değiştirmesine neden olduğu bulunmuştur. Aynı davranış değişikliği, yüksek basınç gerilimlerinde daha yüksek pürüzlülük için de gözlenmektedir. Öte yandan, TPU malzemesinin kayma davranışı artan başlangıç basınç gerilimi ile yapışma-kayma davranışından sürekli kayma davranışına geçmektedir. Ek olarak, PLA malzemesi için farklı sinüzoidal örüntüler için kayma davranışında sinüzoidal davranışlar gözlemlenmiştir. PLA malzemesi için daha karmaşık bir ilişki gözlemlenmiştir. Sayısal simülasyonlarda, pürüzlülüğün kayma davranışı üzerindeki etkisini araştırmak için Coulomb sürtünme yasası ile Maxwell-kayma modeline yarı-statik bir çözüm kullanılmış ve daha yüksek pürüzlülük, başlangıç blok konumlarının daha yüksek rastgeleliği ile temsil edilmiştir. Statik model, mikroskobik seviye özelliğini (pürüzlülük) arayüzeyin makroskobik kayma davranışıyla ilişkilendirmek için ilk kez kullanılmıştır. Pürüzlülüğün artmasının büyük ölçekteki kayma davranışını yapışma-kaymadan sürekli kaymaya değiştirdiği bulunmuştur. Ayrıca, kayma sürtünme davranışı ve kayma dinamikleri üzerindeki başlangıç basınç yükü etkilerini araştırmak için Coulomb sürtünme yasasına sahip Maxwell-kayma modelinin dinamik bir çözümü kullanılmıştır. Dinamik modelde, başlangıçtaki normal yükün artırılmasının büyük ölçekteki kayma davranışını yapışma-kaymadan sürekli kaymaya doğru değiştirdiği bulunmuştur. Küçük ölçekte, lokal düzeyde, artan başlangıç normal yükü ile lokal kayma sürtünme bölgesi bir süreklilik içinde çatlak benzeri genişleyen kayma bölgesinden ilerleyen kayma dalgası tipi kayma bölgesine ve daha sonra ilerleyen kayma dalgaları dizisine doğru değişir. Son olarak Burridge- Knopoff modeli, basınç yükü seviyesini yansıtan doğrusal dağılım eğiminin blok kaymalarının sırası, yani arayüzdeki kaymanın gelişimi üzerindeki etkisini araştırmak için kullanılmıştır. Burridge-Knopoff modelinin sonuçları, sürtünme kuvveti düşüşü sırasında kaymanın arayüz boyunca ya bir yönde tek bir dalga olarak ya da zıt yönlerde ilerleyen iki dalgaya bölünen bir çatlak olarak dalgalar halinde yayıldığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Stability of frictional sliding in terms of stick-slip and steady sliding behavior and the mechanisms that drive these behaviors is a topic of interest in the fields of tribology, geomechanics, and control engineering. In this thesis, stability of frictional sliding is investigated both experimentally and numerically. The experiments are carried out by side-driven direct shear experiments of two plates under compressive loading. The numerical method uses Maxwell-slip model and Burridge-Knopoff model consisting of mass-spring units pulled by a slider on top, i.e., top-driven, representing an interface of a sliding plate on top of a rigid substrate. In the experiments, the effects of surface roughness and initial compressive (normal) stress are investigated using three material pairs: PMMA/PMMA, TPU/PMMA, and PLA/PLA. The roughnesses on PMMA were created by polishing the samples with different grit sandpapers, on PLA by changing the printing orientation in a 3D printer. We found that for PMMA material, higher initial normal stress causes the sliding mode to change from steady sliding to stick-slip behavior. The same behavior change is observed also for higher roughness at high normal compressive stresses. On the other hand, TPU material transitions from stick-slip behavior to steady sliding behavior with increasing initial normal stress. Additionally, we found that for PLA material, sinusoidal behavior is observed for different sinusoidal patterns. For PLA material a more complicated relationship is observed. In the numerical simulations, a quasi-static solution to the Maxwell-slip model with Coulomb friction law is used to investigate the effect of roughness on the sliding behavior by representing higher roughness with higher randomness of the initial block positions. The static model is used for the first time to relate the microscopic level feature (roughness) is related to the macroscopic sliding behavior of the interface. We found that increasing the roughness changes the global sliding behavior from stick-slip to steady sliding. Additionally, a dynamic solution to the Maxwell-slip model with Coulomb friction law, is used to investigate the initial normal load effects on the frictional sliding behavior and sliding dynamics. In the dynamic model, we found that increasing the initial normal load also changes the global behavior from stick-slip to steady sliding. At the local level, with increasing initial normal load, the local frictional sliding region changes in a continuum from crack-like expanding sliding region to travelling slip pulse type sliding region and further to travelling train of slip pulses. Finally, the Burridge-Knopoff model is used to investigate the effect of the linear distribution slope, reflecting the compression load level, on the sequence of the block slippages, i.e., the evolution of slip on the interface. The results of the BK model show that during the friction force drop, slip propagates along the interface as pulses, either as a single pulse in one direction or as a crack that splits into two oppositely moving pulses.
Benzer Tezler
- Density functional theory investigation on thickness and load dependency of friction force between graphene and Au interfaces
Grafen ve Au arayüzleri arasındaki sürtünme kuvvetinin katman sayısı ve yüke bağlı değişiminin yük yoğunluğu fonksiyoneli teorisi ile incelenmesi
DUYGU GİZEM ŞENTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HANDE TOFFOLİ
- Eksenel doğrultuda kayıcı bulonlu düğüm noktaları içeren çelik yapı sistemlerinin performanslarının incelenmesi
Examination of performance of steel structures having sliding slotted joints in axial direction of elements
BAYKAL DÖNMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ERKAN ÖZER
- CFRP donatıların yüksek dayanımlı beton ile aderansına etki eden faktörlerin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation to determine factors affecting bond behavior of CFRP rebars in high strength concrete
TUNÇ TİBET AKBAŞ
Doktora
Türkçe
2018
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Turbo solenoid vana
Turbo solenoid valve
YAŞAR MUTLU
Doktora
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÇAKAN
- Dynamic stability analysis and parametric investigation of nonlinear friction-induced vibrations on a mass-sliding belt experiment
Kütle-kayar bant deney sisteminde doğrusal olmayan sürtünme kaynaklı titreşimlerin dinamik kararlılık analizi ve parametrik incelenmesi
AKİF YAVUZ
Doktora
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN