Düzlem yüklemesi altında delikli kompozit plakaların peridinamik teori ile incelenmesi
Investigation of holed composite plates exposed to in-plane loading by the peridynamic theory
Yazar: BUŞRA BAYKAN MERCAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLER ; PROF. DR. BORA YILDIRIM
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada tek eksenli çekme kuvveti altında delikli kompozit plakaların hasar davranışı incelenmiştir. İzotropik malzemelere göre daha karmaşık bir yapıya sahip olan kompozit malzemeler ortotropik bir yapıya sahiptir ve delik hasarı gibi bir süreksizlik de eklenince daha karmaşık bir probleme dönüşmektedir.
Bu karmaşık problemlerin çözümü tez kapsamında yerel olmayan Peridinamik(PD) teori ile yapılmıştır. PD teori, hasarlı yapıları modelleme konusunda yerel ve diğer yerel olmayan teorilerin yetersiz kalması sebebi ile 2000 yılında tanıtılan bir teoridir.  Bu teoriyi diğer teorilerden ayıran özellikleri; bir, iki ve üç boyutlu ortamlarda, doğrusal olmayan malzemeler ve hasarlı yapıları çözebilme becerisidir. PD teorisinin en büyük avantajı, çatlağın ne zaman dallanması, durması ve rastgele yönlenmesi gerektiğini belirleyen tamamlayıcı bir ilişki gerektirmemesidir. Elde edilen PD teori sonuçları Sonlu Elemanlar (SE) yöntemi ve literatürde var olan deneysel çalışmalar ile doğrulanmıştır.
İlk olarak merkez delikli izotropik plaka tek eksenli çift yönlü çekme yükü altında incelenmiştir. Hasarsız olarak PD teori ile incelenen problemin doğrulama çalışması analitik ve SEA yöntemi ile yapılmıştır. Yer değiştirme sınır koşulu altında numunenin yükleme yönündeki gerilme ve gerinim, yükleme yönüne dik yönde yer değiştirme değerleri incelenmiştir. Sonuçlar delikli izotropik numune için tüm yöntemler ile oldukça uyumlu elde edilmiştir. Kompozit tek yönlü fiber açısına sahip, literatürde deneysel olarak incelenen, malzemesi T300/QY8911, fiber açısı 90° ve katman sayısı 12 olan merkez delikli numune PD teori ile modellenmiştir. Literatürde var olan deneysel çalışma referans alınarak numunenin boyutları, malzeme özellikleri, hasara uğradığı kuvvet ve yer değiştirme belirlenmiştir. Problem hasarsız ve hasarlı olarak ele alınmıştır. Hasarsız problem kuvvet sınır koşulu altında incelenmiştir ve yükleme yönünde normal gerilme ve gerinim, yer değiştirme sonuçları değerlendirilmiştir. Hasarlı problem yer değiştirme sınır koşulu altında incelenmiştir ve plakanın hasar uğradığı kuvvet ve numunenin kırılma görüntüsü elde edilmiştir. Doğrulama çalışmaları hasarsız problem için analitik ve SEA sonuçları ile yapılmıştır ve oldukça uyumlu bulunmuştur. Hasarın incelendiği durumda PD teori sonuçları deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır ve benzer elde edilmiştir. Böylelikle delik hasarlı tek yönlü fiber açısına sahip kompozit yapıların modellenmesinde ve hasar tahmininde PD teorinin iyi sonuç verdiği ve bu alanda uygulanabilir olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
In this study, the damage behavior of holed composite plates under uniaxial tensile force was investigated. Composite materials, which have a more complex structure than isotropic materials, have an orthotropic structure, and when a discontinuity such as hole damage is added, it turns into a more complex problem.
On the scope of the thesis the solution of these complex problems has been done with the non-local Peridynamic (PD) theory. PD theory is a theory introduced in 2000 due to the inadequacy of local and other non-local theories in modeling damaged structures. The properties that distinguish this theory from other theories, is the ability to solve nonlinear materials and damaged structures in one, two and three dimensions. The major advantage of PD theory is that it does not require a complementary relationship that determines when the crack should branch, stop, and orient randomly. The PD theory results obtained were confirmed by the Finite Element (FE) method, studies in the literature and experimental results.
Firstly, an isotropic plate with centered open hole was studied under uniaxial bidirectional tensile load. The problem was examined without any damage with PD theory. The verification study of the problem was done by analytical and Finite Element Analysis (FEA). The stress and strain in loading direction and the displacement perpendicular to the loading direction are examined. The PD theory results for the isotropic open hole tension specimen were obtained very compatible with the analytical SEA methods. An open hole composite specimen which has been studied experimentally in the literature with the material T300 / QY8911, fiber angle of 90 ° and 12 layers were modeled with PD theory. The specimen dimensions, material properties, force and displacement were determined with reference to the experimental study in the literature. The problem is investigated undamaged and damaged. The undamaged problem is investigated under the force boundary condition and the results of normal stress and strain in the loading direction and displacement perpendicular to the loading direction are evaluated. The damaged problem was examined under displacement boundary condition and the reaction force when the plate was damaged and the fracture image of the specimen were obtained. Validation studies for the undamaged problem were conducted with analytical and FEA results and were found to be quite compatible. In the case where the damage was examined, the PD theory results were compared with the experimental data and were found similar. Thus, it has been shown that PD theory gives good results in modeling and damage estimation of composite structures with hole damaged unidirectional fiber angle and is applicable in this field.