Peridinamik yaklaşım ile eş yönlü fiber takviyeli karma malzemelerin mekanik davranışlarının incelenmesi

Abstract

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.