Constitutive failure modelling and analysis of steel wire rope structures subjected to impact loading

dc.contributor.advisor İmrak, Cevat Erdem
dc.contributor.author Candaş, Adem
dc.contributor.authorID 685723
dc.contributor.department Makine Mühendisliği
dc.date.accessioned 2022-08-23T13:08:27Z
dc.date.available 2022-08-23T13:08:27Z
dc.date.issued 2021
dc.description Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2021
dc.description.abstract Dynamic fracture is an important research topic in the science of fracture mechanics. The crack initiation and propagation is a problem that has received considerable attention because of its technical consequences. In case of impact loading and related failure mechanism both in macro- and micro-level should be carefully investigated. An impact load may adversely affect the system's operation, especially in cases where brittle structural elements are subjected to this load. Besides, brittle materials have advantages such as hardness and wear resistance, their deficiencies in terms of toughness and brittleness significantly restrain their usage in practice. This is the main reason that the problem of crack propagation at both macro- and micro levels is a problem of frequent discussion in the recent literature. The dynamic fracture behaviour of brittle materials that contain micro-level cracks were examined when material subjected to impact loading. The investigation on the effect of micro-cracks on the crack propagation was carried out in the first step. The macro-crack initiates from notch tips in the Kalthoff– Winkler experiment, a classical impact problem. A micro-crack cluster was designed to decelerate this crack propagation. To define pre-defined micro-cracks in three-dimensional space, a two-dimensional micro-crack plane definition was proposed in the bond-based Peridynamics (PD). PD is a non-local form of classical continuum theory. Randomly distributed micro-cracks with different number densities in a constant area and number in expending area models were examined to monitor the toughening of the material. The velocities of macro-crack propagation and the time required for completing fractures were considered in several pre-defined micro-cracks cases. It has been observed that toughening mechanism only initiates by exceeding a certain number of micro-cracks; therefore, it can be said that there is a positive correlation between the density of pre-defined micro-cracks and macro-crack propagation rate and, also, toughening mechanism. The classical impact problem was explained in details and then, wire rope structures that one of the most important elements in material handling were examined. The complexity of material handling area needs to manage many different machine and equipment. Therefore, accidents can inevitably occur in these areas. However, in general, there are further factors that affect the failure of ropes in an accident. Wire ropes are designed for static axial loading owing to its nature of structure. In that manner, an impact load can result in an undetermined mechanical response of the rope. Moreover, corrosion, insufficient lubrication, porosities in the working area, and wear can decrease the strength of wire ropes. The lifetime prediction of a rope system is a very complicated task because of the complex structure of ropes and different loading conditions. However, to determine the reliability of material handling require more specific information about each element. With the help of proposed methods and findings in Kalthoff-Winkler problem, a theoretical scheme of analysing cable systems and wire ropes subjected to impact load with peridynamics was handled. Numerical studies were carried out, and the simulation parameters were discussed. It can be estimated that the failure of a wire in a strand does not affect its neighbours, because crack propagation in a wire cross-section ends at the outer surface of that wire. The resulting stress concentration that will cause crack propagation in adjacent wires is not observed. However, of course, there is some local transition of the load should be taken into account because of inter-contact states between wires. With regard to this, the work presented in this study can be extended to examine the inter-contact interaction between wires. As a consequence, the effect of micro-cracks on a macro-crack propagation was investigated in Kalthoff-Winkler problem. The one most obvious finding to emerge from this study is that the less than a certain number of randomly located micro-cracks around the crack tip has no positive effect on fracture toughening mechanism. Nevertheless, adding more amounts of pre-defined micro-cracks in the same region can decrease crack propagation velocity and significantly increase the toughness. The second major finding was that there needs a certain number of micro-cracks for occurring of toughening effect. This study has found that an insufficient number of micro-cracks cannot decelerate the propagation of cracks. A certain number of micro-cracks should be placed in the body in order to obtain the toughening effect. In general, therefore, it seems that the density of micro-cracks in a constant area and the number of micro-cracks in expending areas are significant parameters on toughening mechanism in a brittle material subjected to impact load. The findings of this investigation complement those of earlier studies. These findings support the PD's competence as an alternative to classical continuum mechanics for modelling of fracture and thus, designing of strengthen geometries. Although the study has successfully demonstrated that crack propagation and fracture characteristics, it has certain limitations in terms of properties of micro-cracks. Dynamic crack propagation and failure in a wire cross section were studied. The programs used in the study were evaluated. Developed scripts that can be useful for further researchers were provided. Compared with average velocities in m-convergence tests, velocities in δ-convergence tests differentiate much more. It can be inferred that the minimum value of m (as an indicator of material points within a horizon) should be 3 for the models with given parameters and dimensions. The average velocities of m = 3,4, and 5 models are very close to each other. The data for δ = 0.00450 test should be considered an outlier because the crack did not propagate in contrast to other models. This result indicated that the horizon value, δ = 0.00450 is not applicable for the model with given parameters. With the understanding of wave progression and mode transition relation, the model δ = 0.0015 can be considered as a better parameter choice for the given model. The Mode I crack opening transition in the reference model indicates a routing of the crack in horizontal direction. These findings are thought of as a basis for the simulation of fracture mechanisms in wire ropes with PD.
dc.description.abstract Dinamik kırılma, kırılma mekaniği biliminde önemli bir araştırma konusudur. Çatlak başlangıcı ve ilerlemesi, sonucunda meydana gelecek hasarlar ve neden olacağı kazalar nedeniyle incelenmesi gereken bir sorundur. Darbe yükü ve sonucunda meydana gelen hasarın mekaniği hem makro hem de mikro düzeyde araştırılmaya ihtiyaç duymaktadır. Özellikle kırılgan yapı elemanları darbe yüküne maruz kaldıklarında meydana gelen ani hasarlar nedeniyle sistemin çalışması beklenmedik bir anda olumsuz etkilenebilir. Gevrek malzemeler sertlik ve aşınma direnci gibi avantajlara sahip olmalarına rağmen, tokluk ve kırılganlık açısından eksiklikleri, pratikte kullanımlarını önemli ölçüde kısıtlamaktadır. Bu nedenle hem makro hem de mikro düzeyde kırık oluşması ve ilerlemesi sorunu geçmiş ve güncel literatürde sıkça tartışılan bir konu olmuştur. Bu kapsamda, bu çalışmanın amacı, genel olarak kırılgan malzemelerde, özel olarak ise çeşitli çevresel koşullar ve etkiler nedeniyle gevrekleşen ve darbe yüküne maruz kalan halatların hem mikro hem de makro düzeyde malzeme içinde bulunan çatlakların da etkisiyle dinamik kırılma davranışlarının incelenmesi ve hasar modellemesi için parametrelerin belirlenmesidir. İlk olarak klasik bir darbe deneyi olan Kalthoff-Winkler deneyi ile başlanmıştır. Ardından bu modelde kullanılan yöntemler ve elde edilen sonuçlar ile halat hasarı modelleri geliştirilmiştir. Çalışmayı bölüm bazında incelemek gerekirse, 1. Bölümde kırılma mekaniği hakkında literatürde mevcut bilgiler taranmış ve bir özet sunulmuştur. Kırılma mekaniğinin incelenmesi ve problemlerinin çözülmesinde sunulan teorik yaklaşımlar ve malzeme modelleri anlatılmıştır. Ayrıca, kırılma modları, dalga yayılımı, çatlak başlangıcı ve ilerlemesi ve mikro-kırık toklaşma mekanizması incelenmiştir. Kırılma mekaniğinde ortaya konan modellerin analitik çözümlerinin oldukça zor olması nedeniyle kullanılması zaruri olan sayısal modeller özetlenmiştir. Bölüm sonunda çalışmanın amacını ve ana hatlarını içeren başlıkların kısa bir özeti sunulmuştur. Metodolojinin açıklandığı 2. Bölümde, Peridinamik (Peridynamic) teorisi anlatılmıştır. Peridinamik kavramı bir noktanın civarındaki diğer noktalarla aralarında kuvvet bağı olduğu duruma ithafen, Yunanca peri (yakında, çevresinde) ve dinamik (kuvvet) kavramlarının birleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Klasik sürekli ortamlar mekaniğinde malzemedeki herhangi bir noktaya etkiyen kuvvetler, ayrıklaştırmaya bağlı olarak, en yakınındaki diğer noktalardan kaynaklanmaktadır. Örneğin bir boyutlu uzayda bir noktanın iki adet komşusu bulunmaktayken, üç boyutlu uzayda etki kaynağı altı nokta bulunmaktadır. Bu anlamda klasik teori yerel (local) olarak tanımlanır. Peridinamik teori ise yalnızca en yakındaki noktaların değil, belirli bir hacim içindeki diğer noktaların da etkisini denkleme dahil eder. Bu, teorinin yerel olmayan (non-local) olmasını sağlar. Hareket denkleminin yapısının hacimsel integral üzerine kurulmuş olması özellikle süreksizlik ortamlarında teoriyi klasik yönteme göre avantajlı konuma getirir. Bununla birlikte Peridinamik model, integrale dayanan yerel olmayan yapısı sayesinde özellikle kırılma mekaniği problemlerinin çözümünde sonlu elemanlar ağının her adımda tekrar oluşturulma (remeshing) gerekliliğini ortadan kaldırmış olur. Çatlak ve kırık tanımlamak, oluşturmak ve ilerlemesini gözlemek malzeme noktaları arasındaki bağların ortadan kaldırılmasıyla kolayca mümkündür. Teori, günümüzde hem mikro hem de makro ölçekte yaygın bir kullanım alanı bulmuştur. Henüz beta sürümleri yayınlanmasına rağmen bazı ticari analiz programlarında kullanılmaya başlanmıştır. Bazı özel teknikler ile sonlu elemanlar için geliştirilmiş programların Peridinamik teori çerçevesinde çalıştırıldığı örnekler de bulunmaktadır. Özetle bu bölümde, teorinin temel hareket denklemi, hasar modeli, kırık tanımlama, incelenecek malzemenin malzeme noktalarına bölünmesi (ayrıklaştırma) ve yakınsama problemleri açıklanmıştır. Bu kapsamda Peridinamik teorisinin dinamik kırılma mekaniği problemlerinde uygulanabilirliği incelenmiştir. Teori kapsamında çatlak oluşturma için genel bir algoritma ve program sunulmuştur. Yapılan literatür araştırmalarında, mikro-çatlakların, darbe yüküne maruz kalan bir malzemedeki çatlak ilerlemesi üzerindeki etkisinin araştırılmasının sınırlı kaldığı görülmüştür. Bu kapsamda 3. Bölümde, klasik bir darbe deneyi olan Kalthoff-Winkler problemi ele alınmıştır. Metodoloji bölümde tanıtılan Peridinamik teori, mikro çatlakların dinamik çatlak ilerlemesi üzerindeki etkisini anlamak için bu problemde kullanılmıştır. Bu bölüm özetle, rastlantısal olarak malzeme içinde bulunan kusurların (mikro-çatlaklar) Kalthoff-Winkler deneyi özelinde, toklaşma mekanizmasına etkisi incelemiştir. Bu amaçla, PD için geliştirilen iki boyutlu bir çatlak tanımı ile malzeme içinde çok sayıda mikro-çatlak oluşturulmuştur. Ardından, dinamik çatlak ilerlemesi ve basınç dalgalarının darbe yükü ile malzemede ilerlemesi birlikte değerlendirilmiş ve çatlak ilerleme hızı gösteren grafikler sunulmuştur. Bu bölümde elde edilen en önemli bulgulardan biri, çatlak ucunun çevresinde rastgele yerleştirilmiş mikro-çatlakların, belirli bir sayıdan az olması durumunda kırılma toklaşma mekanizması üzerinde olumlu bir etkisinin olmamasıdır. Bununla birlikte, aynı bölgeye daha fazla miktarda mikro-çatlak eklemenin, çatlak yayılma hızını azaltabildiği ve dolayısıyla tokluğu artırdığı görülmüştür. İkinci önemli bulgu, sertleştirme etkisinin meydana gelmesi için belirli sayıda mikro çatlaklara ihtiyaç olduğudur. Yetersiz sayıda mikro-çatlağın ana çatlakların yayılmasını yavaşlatamayacağı gözlenmiştir. Toklaşmayı sağlamak için malzeme içinde belirli sayıda mikro-çatlak yerleştirilmelidir. Genel olarak, bu nedenle, sabit bir alandaki mikro çatlak sayısının yoğunluğunun ve büyüyen alanlardaki mikro-çatlak sayısının, darbe yüküne maruz kalan kırılgan bir malzemedeki sertleşme mekanizması üzerinde önemli parametreler olduğu görülmektedir. Bu bölümdeki bulguların önceki çalışmalarda yer alan bulgularla uyumlu olduğunu gösteren karşılaştırmalar bölüm sonunda verilmiştir. 4. Bölümde tel halat yapıları incelenmiştir. Çelik tel halatlar, kaldırma ve taşıma makinalarında kullanılan önemli elemanlardan biridir. Yük taşımaları nedeniyle düzenli bir bakım programıyla gözetim altında tutulmalarına ihtiyaç vardır. Genel olarak kaldırma ve taşıma yapılan alanlarında bulunan her makina ve ekipmanın düzenli ve organize bir yönetim altında bulunması gereklidir. Bu organizasyonun sağlıklı bir şekilde sağlanmadığı durumlarda kazaların meydana gelmesi kaçınılmazdır. Yine de genel olarak, bir kazada halatların hasar görmesini etkileyebilecek temel yapısal faktörlerden bahsetmek gerekir. Çelik halatlar, yapıları gereği statik eksenel yükleri taşımak için tasarlanmıştır. Bu nedenle darbe yükünün etkimesi halatın mekanik tepkisinde belirsizliğe yol açabilir. Ayrıca literatürdeki yayınlar ve saha koşullarında yapılan incelemelerde gözlendiği üzere, korozyon, yetersiz yağlama, çalışma alanındaki kirlilik ve aşınma halatların mukavemetini düşüren ve dolasıyla ömrünü önemli ölçüde azaltan faktörler olarak öne çıkmaktadır. Bir halat sisteminin ömür tayini, halatların karmaşık yapısı ve farklı yükleme koşullarına verdikleri farklı tepkiler nedeniyle çok karmaşık bir hal alabilir. Bununla birlikte, bir kaldırma/taşıma makinasının hem güvenliğini hem de güvenilirliğini sağlamak için sistemdeki her bir elemanın bakım ve olası hasar durumlarına ilişkin bilgilerin tam olması gerekir. Bu kapsamda, bu bölümde yapılan araştırmalar özetlenmiş ve problemin tanımı yapılmıştır. Ardından gelen 5. Bölümün başında, kullanılan modellerin kodlanması ve analizi hakkında bilgi verilmiştir. Genel olarak çalışmada yer alan simülasyonların bilimsel olarak tekrarlanabilir olmasını sağlamak amacıyla kullanılan kodlar paylaşılmıştır. İlk olarak, Kalthoff-Winkler problemi için Madenci ve Oterkus'un Peridynamic Theory and Its Applications kitabında sundukları Fortran kodu ele alınmıştır. Peridinamik ve benzer diğer sayısal yöntemlerin çözümünde birçok programlama dili kullanılabilir. Fortran diline aşina olmayan kullanıcılar için Matlab kullanımı önerilebilir. Ancak aynı işi yapan bir Matlab kodunun, en azından bu örnekte, Fortran kodu kadar hızlı çalışmayacağı unutulmamalıdır. Matlab'ın kolay bir kullanım sunan paralel hesaplama yeteneği bu hızı arttırabilir ancak yine de Fortran, hızlı bir hesap makinası olarak öne çıkmaktadır. Matlab ise oldukça kullanıcı dostu bir ortam sunmaktadır. Bir yorumlayıcı (interpreter) olması nedeniyle, yazılan kodun derlenmesine (compaling) ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu nedenle, hata ayıklama süreci yeni bir programcı için daha kolay olabilir. Dahası, Matlab'da bulunan görselleştirme araçları, kullanıcıların geometrileri ve model sonuçlarını kolay ve hızlı bir şekilde kontrol etmesini sağlar. Sayısal modelleme çalışmaları için farklı programlar ve programlama dilleri önerilebilir. Ancak ilk adımda, özellikle hızlı görüntüleme olanakları nedeniyle Matlab ile başlamak faydalı olabilir. Fortran ve Matlab kodlarının benzerliği ve kendi aralarında kolay dönüştürülebilir olmaları da büyük bir avantajdır. Bununla birlikte, Matlab'da kodun son haline getirilmesinin ardından, tüm komut dosyasının Fortran dilinde derlenmesi, hız amacıyla tavsiye edilir. Peridinamik model sonuçlarının görüntülenmesi için Matlab kullanılabileceği gibi Ovito adlı başka bir alternatif de bulunmaktadır. Bu bölümde Ovito ve Matlab ortamında sonuçların grafiğe dökülmesi ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Yine bu gölümde açıklandığı üzere, eklerde tezde kullanılan ve sonuçları görüntüleme amaçlı bir Matlab kodu, koddan elde edilen Matlab kodlarını Ovito programına aktarmak için bir Matlab dönüştürücü kodu, model sonuçlarını zamana bağlı şekilde kaydetmek için bir Fortran kod parçacığı ve son olarak halat kesiti modellemesinde kullanılan bir Matlab kod parçacığı sunulmuştur. Paylaşılan kod parçacıklarının Peridinamik ve benzeri sayısal modeller kullanan araştırmacılar için faydalı olması amaçlanmıştır. Bölümün ikinci kısmında 4. Bölümde yapılan araştırmalar neticesinde ortaya çıkan simülasyon modelleri ortaya konmuştur. 5. Bölümdeki çalışmalar, 3. Bölümde kullanılan yöntemin ve geliştirilen modellerin doğrulunun test edilmesi ve yapılan çıkarımlar ile ilerlemiştir. Kalthoff-Winkler probleminde kullanılan yöntemler ve bulgular yardımıyla, darbe yüküne maruz kalan halat sistemleri ve tel halatların Peridinamik ile analiz edilmesine yönelik teorik bir altyapı çalışması yapılmıştır. Sayısal çalışmalar yapılmış ve simülasyon parametreleri tartışılmıştır. Burada, halat kırılma modelinde farklı durumlar için verilen ortalama çatlak ilerleme hız tablosu değerlendirilmiştir. Buna göre m-yakınsama çalışmalarından elde edilen sonuçlara göre, verilen ölçülerde bir halat kesiti için gelecek çalışmalarda m = 2 değerinin kullanılamaz olduğu, ancak modelin m = 3, 4 ve 5 değerlerinde daha iyi sonuçlar verdiği, horizon yakınsama testlerinde 0,0045 değerinde çatlak ilerlemesi olmadığı, ancak küçülen horizon değerinin çatlak ilerlemesini farklı hızlarla da olsa sağladığı görülmüştür. Tezin son bölümü olan 6. Bölüm, yapılan çalışmaların bir özetini ve elde edilen sonuçların yorumlanmasını içermektedir. Çatlak ilerleme hızlarının malzeme içindeki dalga yayılımı ve kırılma modlarıyla olan ilişkileri tartışılmıştır. Son olarak, yapılan çalışmaların değerlendirilmesi ile birlikte gelecek çalışmalar için tavsiyelerde bulunulmuştur.
dc.description.degree Doktora
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11527/20292
dc.language.iso en_US
dc.publisher Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
dc.sdg.type none
dc.subject Elastik kırılma
dc.subject Elastic fracture
dc.subject Tel halat
dc.subject Wire rope
dc.subject Çelik halat
dc.subject Steel rope
dc.title Constitutive failure modelling and analysis of steel wire rope structures subjected to impact loading
dc.title.alternative Çelik tel halat yapılarının darbe yükü altında hasar modellenmesi ve incelenmesi
dc.type Thesis
Dosyalar
Orijinal seri
Şimdi gösteriliyor 1 - 1 / 1
thumbnail.default.alt
Ad:
503122011.pdf
Boyut:
126.51 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Açıklama
Lisanslı seri
Şimdi gösteriliyor 1 - 1 / 1
thumbnail.default.placeholder
Ad:
license.txt
Boyut:
1.58 KB
Format:
Item-specific license agreed upon to submission
Açıklama