UHMWPE'nin farklı deformasyon hızları altında eğilme davranışının belirlenmesi: deneysel ve nümerik çalışma
Determination of the flexural behavior of UHMWPE under different deformation velocities: Experimental and nümerical study
Yazar: KAZIM ERCAN
Danışman: PROF. DR. HAMZA KEMAL AKYILDIZ
Yozgat Bozok Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Yarı kristal termoplastik malzeme olarak bilinen hafifliği, çok düşük sürtünme katsayısı, yüksek aşınma direnci, yüksek darbe dayanımı, yüksek kimyasal ve korozyon direnci ve yüksek gürültü emilim gibi olağan üstü mekanik ve fiziksel özelliklerinden dolayı Ultra Yüksek Molekül Ağırlıklı Polietilen (UHMWPE), biyomedikal, savunma, otomotiv ve havacılık gibi birçok sanayi kollarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uygulama alanlarında UHMWPE genellikle değişik hızlar altında eğilme gibi çok eksenli yüklere maruz kalmaktadırlar. Bu malzemenin değişik hızlar altındaki eğme yüklerine karşı vermiş olduğu tepkiyi önce deneysel olarak belirlemek ve sonrasında da sonlu elemanlar bağlamında modellemek endüstriyel bir gereksinimdir. Bu çalışmanın ana amacı daha önce hiç belirlenmemiş UHMWPE'nin değişik hızlarda 3 nokta eğme yükleri altındaki mekanik davranışını deneysel olarak belirlemek ve nümerik olarak doğrulamaktır. Bu kapsamda 3 nokta eğme testleri 0.1, 1 ve 12 mm/s hızları altında gerçekleştirilmiştir. Bu testlerin nümerik analizleri SAMP-1(polimerler için yarı analitik malzeme modeli) malzeme modeli kullanılarak LS-DYNA mühendislik programında yapılmıştır. SAMP-1 malzeme modelinin hesaplamalar için gereksinim duyduğu çoklu çekme plastik gerinim-gerilim eğrileri ile birlikte basma plastik gerinim-gerilim eğrileri gerçekleştirilen çekme ve basma testleri aracılığıyla elde edilmiştir. Basma ve çekme testleri yine 0.1, 1 ve 12 mm/s hızları altında yapılmıştır. UHMWPE'nin çekme ve basma yükleri altında sergilemiş olduğu gerinim yumuşaması ve takip eden gerinim sertleşmesi gibi önemli malzeme davranışlarını SAMP-1 malzeme modeli tarafından yüksek hassasiyetle elde edildiği bu testlerin yapılan nümerik analizleri sonucunda ortaya konmuştur. Artan hıza bağlı UHMWPE'nin 3 nokta eğme yüklerine karşı verdiği tepkinin arttığı ve SAMP-1 malzeme modeli aracılığı ile yüksek doğrulukla elde edildiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) considered as a semi-crystalline polymer has been widely used in a broad range of engineering applications, such as biomedical, defense, automotive and aviation due to its superior physical and mechanical properties, including lightweight, very low coefficient of friction, high wear resistance, high impact resistance, high chemical and corrosion resistance and high noise absorption. In these application fields, UHMPWE are generally subjected to multiaxial loads, like bending at different deformation velocities. First, determining the mechanical response of this material to bending loads experimentally, and then predicting its material behavior under bending loads in the context of finite element analysis accurately is of industrial need. On account of this, the primary aim of this study is to first determine the material behavior of UHMWPE under three-point bending at different deformation rates through mechanical tests, and then to reproduce the 3-point bending test data satisfactorily by means of numeric analysis. In this framework, the 3-point bending tests have been carried out on UHMWPE at three various deformation rates such as 0.1 mm/s, 1 mm/s and 12 mm/s. The numerical implementation of the 3-point point bending tests has been performed using SAMP- 1 material model (semi-analytical material model for polymers) in LS-DYNA engineering software. The required input material parameters to SAMP-1, including multiple tensile plastic stress-strain and compressive plastic stress-strain curves have been obtained by conducting associated mechanical tests at the identical deformation rates attained in the actual 3-point bending experiments. Such characteristic material behavior of UHMWPE under tension and compression, including strain softening followed by strain hardening, has been successfully captured by SAMP-1. It has been observed that the UHWMPE acts stiffer with an increased deformation rate, and a very good correlation has been achieved between 3-point bending outcomes and numerical predictions.