Boru yapıştırma bağlantıların viskoelastik davranışının analitik ve nümerik olarak incelenmesi
Analytical and numerical investigation of viscoelastic behavior of the adhesive tubular joints
Yazar: İSMAİL HAKKI BEKTAŞ
Danışman: PROF. DR. HALİL ÖZER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Gerilme dağılımı = Stress distribution

Özet:
Yapıştırıcı kullanılarak gerçekleştirilen birleştirme yöntemleri, yapısal elemanların sabitlenmesinde hafif, yüksek kaliteli ve maliyet açısından uygun çözümler sunarak havacılık, uzay, otomotiv, gemicilik ve enerji santralleri gibi çeşitli endüstrilerde geniş çapta kullanılmaktadır. Yapıştırıcı ile birleştirilen boru şekilli bağlantılar, üstün yük aktarım özellikleri sergilemekle birlikte, bindirme bölgesinin uçlarında halen yüksek gerilme konsantrasyonlarının oluştuğu gözlemlenmektedir.
Silindirik tek bindirmeli bağlantılarda yapıştırıcıların bindirme uzunluğunun orta eksenindeki gerilme dağılım analizleri elastik ve viskoelastik olarak incelenmiştir. İlk olarak, silindirik bindirmeli bağlantılar için çekme, burulma ve iç basınç yüklemesi altında oluşan gerilme dağılımlarının analitik incelemeleri, elastik olarak ele alınmıştır. Ayrıca burulma yüklemesinde hibrit yapıştırıcılı bağlantı ve iç basınç yüklesinde (iç basınç+çekme) oluşan  birleşik yükleme incelenmiştir.
Analizlerde, sünek (flexible) ve gevrek (stiff) özelliklere sahip iki farklı yapıştırıcı malzeme kullanılmıştır. Analitik modellerde yapılan gerilme dağılımı analizleri, nümerik analizlerle karşılaştırılmıştır. 
Polimer malzemelerde ve viskoelastik analizlerde kullanılan bazı temel kavramlar örneklerle verilmiş ve viskoelastik modeller tanıtılmıştır. Alfrey uygunluk prensibi açıklanmıştır, bu prensibin viskoelastik çözümde kullanılması, problemin elastik çözümün bilinmesine ve yapıştırıcının zaman bağlı elastisite modülünün Laplace domenindeki dönüşümüne dayanmaktadır. 
Çekme, burulma ve iç basınç yüklemesinde yapıştırıcıdaki gerilme dağılımları viskoelastik olarak incelenmiş ve nümerik analizi ile karşılaştırılmıştır. Bu analizler sonucunda, yük uygulamasının başlangıcından denge durumuna kadar olan sürede yapıştırıcıdaki gerilme dağılımlarının yeniden düzenlendiği gözlemlenmiştir. Sünek yapıştırıcı kullanılan bağlantının viskoelastik analizlerden daha fazla etkilendiği ve gevrek yapıştırıcıya göre daha düzgün bir gerilme dağılımı sağladığı tespit edilmiştir.
Analizlerde, yüklemenin başlangıcında maksimum gerilme değerinin, yapıştırıcının kenarları yakınında olduğunu, zamanla yapıştırıcı kenarlarındaki maksimum gerilme değerlerinin azaldığını ve bindirme bölgesinin ortasında yapıştırıcının direngenliği (stiffness) arttığı görülmüştür. Yapıştırıcının toplam direngenliğinin, zamana bağlı olarak değişen elastisite modül değerinden bağımsız olarak sabit kaldığı belirlenmiştir.
Bu çalışmada, Silindirik tek bindirmeli bağlantılarda yapıştırıcıdaki gerilme dağılımlarının analitik ve nümerik analizleri yapılmıştır. Yapıştırıcının viskoelastik özelliğinin, gerilme dağılımları üzerindeki önemi vurgulanmıştır.

Abstract:
Adhesive bonding methods provide lightweight, high-quality, and cost-effective solutions for securing structural components, making them widely used across various industries, including aerospace, automotive, maritime, and power generation. While adhesive-bonded tubular joints exhibit superior load transfer characteristics, it has been observed that high stress concentrations still occur at the ends of the overlap regions.
Stress distribution analyses of cylindrical single-lap joints bonded with adhesives have been conducted under both elastic and viscoelastic conditions, focusing on the overlap length along the central axis. Initially, the stress distributions in cylindrical lap joints subjected to tensile, torsional, and internal pressure loading were analytically examined under elastic conditions. Additionally, hybrid adhesive joints under torsional loading and combined loading (internal pressure + tension) were also investigated.
The analyses employed two different adhesive materials with ductile (flexible) and brittle (stiff) properties. The stress distribution analyses derived from analytical models were compared with numerical simulations. Fundamental concepts used in polymer materials and viscoelastic analyses were presented with examples, and viscoelastic models were introduced. The Alfrey correspondence principle was explained, emphasizing its application in viscoelastic solutions, which relies on the elastic solution and the transformation of the adhesive's time-dependent modulus of elasticity in the Laplace domain.
Stress distributions in adhesives under tensile, torsional, and internal pressure loading were examined viscoelastically and compared with numerical simulations. These analyses revealed that stress distributions within the adhesive reorganize from the initiation of loading until the equilibrium state is reached. It was found that the joint with ductile adhesive was more significantly influenced by viscoelastic analysis, providing a more uniform stress distribution compared to the brittle adhesive.
During the analyses, it was observed that the maximum stress value at the beginning of loading was located near the edges of the adhesive, and over time, these maximum stress values decreased near the adhesive edges while the stiffness increased in the middle of the overlap region. It was determined that the total stiffness of the adhesive remained constant regardless of the time-dependent changes in the elasticity modulus.
In this study, analytical and numerical analyses of stress distributions in adhesives for cylindrical single-lap joints were conducted, highlighting the significance of the viscoelastic properties of the adhesive on stress distributions.