Peridinamik yaklaşım ile eş yönlü fiber takviyeli karma malzemelerin mekanik davranışlarının incelenmesi
Investigation of the mechanical behavior of unidirectional fiber-reinforced composites by using peridynamic approach
- Tez No: 944086
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Bu çalışmada, peridinamik teori kullanılarak tek yönlü fiber takviyeli karma malzemelerin (kompozitlerin) enine (transverse) yükleme koşulları altındaki mekanik davranışları analiz edilmiştir. Peridinamik teori, klasik sürekli ortam mekaniğindeki eksiklikleri gidermek üzere geliştirilmiş, süreksizlikleri ve çatlak ilerlemelerini doğrudan modelleyebilen, integral tabanlı bir yaklaşımdır. Klasik sürekli ortamlar mekaniği teorisinde türev tabanlı denklemler süreksizliklerde tanımsız hale gelirken, peridinamik teori, türevler yerine malzeme noktaları arasındaki uzaklık ve kuvvet etkileşimlerini modellemek için uzamsal integraller kullanır. Bu özellik, çatlakların başlangıç noktalarının ve rastgele yollar boyunca ilerlemelerinin modellenmesini mümkün kılar. Özellikle kompozit malzemeler gibi karmaşık yapılarda, peridinamik teori güvenilir ve kapsamlı sonuçlar sağlayabilen güçlü bir yöntemdir. Karma malzemeler, iki veya daha fazla farklı malzeme bileşeninin birleştirilmesiyle elde edilen üstün mekanik özelliklere sahip malzeme sistemleridir. Genellikle havacılık, otomotiv ve inşaat gibi mühendislik uygulamalarında geniş yer bulur. Metal matrisli karma malzemeler, yüksek özgül mukavemet, sertlik, aşınma direnci ve ısıl kararlılık gibi özellikleri bakımından üstünlük sunar. Metal matris olarak alüminyum gibi hafif metaller tercih edilirken, takviye elemanları sürekli elyaf, kıymık (whisker) ve parçacık gibi farklı geometrilerde olabilmektedir. Öte yandan, epoksi matrisli kompozitler ise, hafiflik ve yüksek mukavemet kombinasyonu sunarak birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Epoksi matrislerin esnekliği, kullanılan elyafın mukavemetiyle birleşerek üstün mekanik performans sağlar. Sunulan tez çalışmasında MATLAB yazılımı üzerinden iki boyutlu peridinamik modeller geliştirilmiştir. Temsili hacim elemanı yöntemiyle (RVE) geliştirilen peridinamik modellerde, karma malzeme içyapı geometrisi rastgele dağılmış lifler olarak modellenmiş ve matris/takviye arabağı mükemmel bağlı olarak ele alınmıştır. Peridinamik yönteme ait bağ rijitliği tanımlamaları için dört farklı yaklaşım kullanılmıştır. Bu doğrultuda, peridinamik hesaplama modelinin doğruluğu literatürde bulunan metal matrisli ve epoksi matrisli olmak üzere iki farklı tip kompozit malzemeye ait deney sonuçlarıyla sınanmıştır. Metal matrisli karma malzeme olarak, iki farklı hacim oranına sahip eş yönlü uzun Al2O3 lifler içeren aluminyum matrisin davranışına ait literatürde verilen deney sonuçları ele alınmıştır. Polimer matrisli kompozit olarak ise, cam elyaf takviyeli epoksi matrise ait literatürde verilen deney sonuçları ele alınmıştır. Peridinamik model doğrulandıktan sonra eş yönlü elyafla takviyeli karma malzemelerin enine yöndeki mekanik davranışı, farklı fiber/matris mekanik özellikleri ve farklı hacim oranı için elde edilmiştir. Geliştirilen model ile malzeme içerisindeki lokal yer değiştirme davranışları da detaylı olarak incelenmiştir. Özellikle malzeme içerisindeki farklı bölgelerde ortaya çıkan yer değiştirme dağılımları analiz edilerek, hangi noktaların yük altında nasıl davrandığı ve bu davranışların yapısal özellikler ve yükleme koşulları ile olan ilişkisi değerlendirilmiştir. En yüksek yer değiştirme değerini gösteren malzeme noktaları, kompozit sisteminin genel deformasyon tepkisi ile ilişkilendirilmiş ve yorumlanmıştır. Sonuç olarak, sunulan tez çalışması peridinamik teorinin karma malzemelerin elastik deformasyon mekanizmalarını modelleme konusundaki yetkinliğini ortaya koymaktadır. Önerilen model, yalnızca mevcut deneysel sonuçlarla uyum sağlamakla kalmamış, aynı zamanda farklı malzeme parametreleri ve yükleme koşulları altında güvenilir bir analiz aracı olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, tez çalışması literatürde bu konuya ilişkin sınırlı sayıdaki çalışmalara katkı sağlanmıştır. Peridinamik teorinin karma malzemeler gibi modellenmesi kolay olmayan yapıların mekanik davranışlarının incelenmesindeki kullanışlılığı da sunulan tez çalışmasıyla vurgulanmaktadır. Diğer yöntemlerle modellenmesi ve hesaplanması daha zor olan, karma malzeme içyapısında yüklemeye bağlı olarak meydana gelebilen hasarların oluşumuna ve gelişimine ait incelemelere yönelik olarak sunulan tez çalışmasıyla geliştirilen peridinamik modelleme algoritması gelecekteki çalışmalarda kullanılabilecektir.
Özet (Çeviri)
This study investigates the mechanical behavior of unidirectional fiber-reinforced composite materials under transverse loading conditions using Peridynamic theory. Peridynamic theory has emerged as a revolutionary framework in material mechanics, providing a robust alternative to classical continuum mechanics. Classical mechanics, although highly effective in many engineering applications, struggles with problems involving discontinuties such as cracks. Its reliance on partial differential equations causes inherent limitations at points of singularity, where these governing equations become undefined. Peridynamic theory overcomes this limitation by utilizing spatial integral equations to model nonlocal interactions between material points. This approach naturally handles crack initiation and propagation without requiring predefined paths or additional assumptions. Consequently, peridynamic theory has become a powerful tool for analyzing advanced material systems, particularly composites, which exhibit highly anisotropic and complex behaviors. Composite materials are engineered systems that combine two or more distinct material phases to achieve superior mechanical, thermal, and chemical properties compared to their individiual components. These materials have become indispensable in modern industries such as aerospace, automotive and construction, where lightweight and high-strength materials are critical. Among composites, metal matrix composites (MMCs) and epoxy matrix composites are widely used due to their unique benefits. MMCs, composed of lightweight metals like aluminum reinforced with high strength fibers, whiskers or particulates. These materials are frequently employed in high performance applications, including aerospace structures and automotive components. Additionally, epoxy matrix composites, consisting of glass fibers embedded within a flexible epoxy matrix, are valued for their excellent strength-to-weight ratio and adaptibility. However, the inherent anisotropy and heterogeneity of these materials present significant challenges for traditional modeling approaches, neccessitating advanced methods like peridynamic theory. In this study, three different composite material configurations were analyzed to evaluate their mechanical performance under elastic transverse loading conditions. These include two metal matrix composites with aluminum matrices reinforced by Al2O3 fibers at two different volume fractions, and an epoxy matrix composite reinforced by glass fibers. The analyses were conducted using two-dimesional peridynamics RVE models developed in MATLAB software, employing ordinary-state based formulations to capture material behavior accurately. In the developed peridynamic models, the composite material's microstructure is modeled as randomly distributed fibers, and the matrix/reinforcement interface is assumed to be perfectly bonded. The peridynamic models were first validated against existing experimental data for regarding composite materials, ensuring their reliability. Validation involved a detailed comparison of numerical predictions with experimental results under various loading scenarios, including tensile and compressive conditions. In addition, the developed model enables a detailed investigation of the local displacement behaviors within the material. Specifically, the displacement distributions emerging in different regions of the material were analyzed, and the relationship between the behavior of specific points under loading and the structural properties and loading conditions was explained. Furthermore, the displacement differences between the fiber and matrix phases within the composite material were comprehensively modeled. The material points exhibiting the highest displacement values were correlated with and interpreted in relation to the overall deformation response of the composite system. These comparisons demonstrated that proposed peridynamics models effectively replicate the mechanical responses of the studied composites, highlighting their robustness and accuracy in capturing complex behaviors. The validation results further affirm that peridynamic theory is particularly well suited for modeling materials with highly directional properties, such as fiber reinforced composites. A key aspect of this study involved implementing the peridynamic modeling MATLAB to accurately simulate heterogeneous materials and their interfaces. Material poinst were discretized in a two-dimensional domain, with each point representing a small volume of material. Specialized bonds have been defined for the interface between different material phases, such as fibers and the matrix, to reflect the mechanical behavior at these transition zones. These bonds were assigned properties like stiffness, critical stretch, and energy release rates, enabling the realistic simulation of interfacial mechanics. To accurately define the interaction between fiber and matrix phases, four different approaches were used to assign bond stiffness values depending on the local phase composition within the peridynamic horizon. These methods included both globally defined constants and locally varying values computed from fiber volume fractions around each material point. By applying these definitions, the interface bonds were able to more realistically capture the mechanical contrast between different phases. This flexible framework enabled a physically meaningful representation of interfacial properties, particularly in heterogeneous microstructures with varying fiber distributions. The results obtained from these four approaches were analyzed and compared, providing insights into how different bond definition influence the deformation behaviour ot composite materials. The Adaptive Dynamic Relaxation (ADR) technique was employed to enhance the stability and efficiency of the simulation. This iterative method was integrated to MATLAB implementation to achieve convergence in the peridynamics equations of motion. The simulation setup aslo accounted for the horizon parameter, ensuring that each material point interacted with all other points within a finite radius, including those across the interface. This comprehensive approach allowed for a detailed representation of load transfer at the interface under transverse loading conditions. Beyond validation, the study extended the peridynamic models to conduct detailed parametric investigations. These investigations explored the effects of varying volume fractions, fiber distribution and transverse loading conditions on the mechanical behavior of the composites. Transverse deformation was a particular focus, as it is critical for understanding the anisotropic behavior of fiber-reinforced composite materials. The parametric studies provided valuable insights into the relationship between material microstructure, volume fraction, and mechanical performance, revealing how these factors influence deformation mechanisms under transverse loading condition. Furthermore, the study examined the role of fiber-matrix interactions and their contribution to overall mechanical stability. The outcomes of these investigations not only enhance our understanding of composite behavior but also provide practical guidance for optimizing material design and tailoring properties for specific applications. In conclusion, this research demonstrates the capability of peridynamics theory in modeling unidirectional fiber- reinforced composites. The validated models accurately represent experimental observations and offer a reliable framework for exploring different material parameters and loading conditions. The findings highlight the versatility of peridynamic as a modern tool for analyzing complex structures, particularly in understanding transverse elastic deformation in anisotrotropic materials such as composites. The results of this study not only validate the applicability of peridynamics to fiber-reinforced composites but also establish it as a framework that can be extended to other material systems. Future works could explore multilayered or hybrid composites under varying environmental and dynamic conditions, futher extending the scope of this powerful theory. By bridging gaps in existing modeling techniques and enhancing accuracy and efficiency, peridynamics theory has the potential to revolutionize the field of composite materials analysis, making it a vital tool in engineering design and material development.
Benzer Tezler
- Overlapping lattice modeling for concrete fracture simulations using sequentially linear analysis
Sıralı lineer analiz ile beton çatlama simülasyonları için üst üste bindirilmiş kafes modeli
BEYAZIT BESTAMİ AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ BİNİCİ
PROF. DR. KAĞAN TUNCAY
- Particle based topology optimization methods foradditive manufacturing technologies
Eklemeli imalat teknolojileri için parçacık tabanlı topoloji optimizasyon yöntemleri
ABDULLAH KENDİBİLİR
Doktora
İngilizce
2024
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN KEFAL
- Çekme ve eğilme yükleri altındaki izotropik ve kompozit yapılarda hasarı tahmin eden bağ bazlı peridinamik teoriyi kullanan bir yöntem geliştirilmesi
Development of a method to predict strength and failure of isotropic and composite structures under tension and bending loadings using bond-based peridynamic theory
AHMET TAŞTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLER
- Kalın plakalarda eğilme ve mod II yüklemeleri altında meydana gelen hasarın peridinamik teori ile incelenmesi
Investigation of bending and mod II failures in thick plates using peridynamic theory
UĞUR YOLUM
Doktora
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLER
- The investigation of stop holes to arrest crack growth in metallic materials with peridynamics
Metalik malzemelerde çatlak ilerleyişini durduran deliklerinin peridinamik metodla incelenmesi
UĞUR ALTAY
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEVZİ SUAT KADIOĞLU
DOÇ. DR. MEHMET DÖRDÜNCÜ