Tek yönlü kompozit malzemelerin higrotermal kırılma analizi için Jk-ıntegral metodu
Hygrothermal fracture analysis of a unidirectional composite laminate using Jk-integral
Yazar: ONUR ARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. BORA YILDIRIM ; DOÇ. DR. SERKAN DAĞ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tezin amacı; higrotermal yüklemelere maruz kalan ortotropik malzeme çatlaklarının çatlak ucu parametrelerinin Jk-integral metodu vasıtasıyla hesaplanmasıdır. Karışık mod higrotermal analiz; gerilme şiddeti çarpanları, T-gerilmesi ve Enerji salınım oranı gibi parametrelerin Jk-integral yardımı ile hesaplanmasını gerektirir. Mod-I higrotermal analizinde ise Mod-I gerilme şiddeti çarpanı ve Enerji salınım oranı parametreleri Jk-integral yardımı ile hesaplanmaktadır. Jk-integralin literatürdeki ilk hali; nümerik metodlar ile hesaplama yapmaya olanak tanımıyan yapıdaydı. Bu yüzden Jk-integrali; düzlem gerilmesi varsayımı ile higrotermal gerilime-gerinim ilişkileri sayesinde nümerik olarak hesaplanabilen alandan bağımsız yapıya dönüştürülmüştür.Higrotermal ve yapısal analizlerin her ikisinde de, eşit-parametrik elemanlar ile oluşturulan sonlu eleman modelleri kullanılmıştır. Bu modeler, genel amaçlı bir sonlu elemanlar yazılımı olan ANSYS ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sayısal çatlak parametreleri, yer değiştirme bağıntısı tekniği (YDBT) sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Jk-integral tekniğinin hesaplandığı alandan bağımsız sonuçlar verdiği de ayrıca gösterilmiştir. Bu çalışmada incelenen sürekli rejim problemi; göreli çatlak pozisyonu, göreli çatlak boyu ve malzeme özelliklerinin; gerilme şiddeti çarpanları, enerji salınım oranı ve T-gerilmesi üzerine olan etkilerini göstermektedir. Süreksiz rejim probleminde ise, zaman ve malzeme özelliklerinin Mod-I gerilme şiddeti çarpanı ve enerji salınım oranı üzerine olan etkileri gözlemlenmektedir.

Abstract:
The aim of this study is to utilize Jk-integral based computational method in order to calculate crack tip parameters for orthotropic materials. The crack is subjected to mixed mode thermal and hygroscopic loadings simultaneously. Mixed mode hygrothermal fracture analysis requires the calculation of mode-I and mode-II stress intensity factors, energy release rate and T-stress are calculated by means of Jk-integral. Jk-integral is defined as a line integral over a vanishingly small curve. Since it is difficult to deal with a line integral on a vanishing curve, Jk-integral is converted to a domain independent form containing area and line integrals with the help of plane hygrothermoelasticity constitutive relations. Steady-state and transient temperature and moisture distribution profiles in composite laminates and the components of the Jk-integral are computed by means of the finite element method.In both hygrothermal and structural analyses, finite element models that possess isoparametric elements are created in the general purpose finite element analysis software ANSYS. The numerical results are compared to the results obtained from Displacement Correlation Technique (DCT). The domain independence of Jk-integral is also demonstrated. The results obtained in this study show the effects of relative crack location, relative crack size, material property profiles and time on stress intensity factors, energy release rate and T-stress.