Sürtünmeli temas koşulları altında yanal dereceli malzemelerde yüzey altı gerilme dağılımı
Subsurface stress distribution in laterally graded materials under frictional contact conditions
Yazar: MUHARREM GÖRKEM GÜLTEKİN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET NURULLAH BALCİ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Gerilme = Stress ; Gerilme analizi = Stress analysis ; Kompozit malzemeler = Composite materials ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Sonlu elemanlar stres analizi = Finite elements stress analysis ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Sürtünme katsayısı = Friction coefficient ; Temas problemi = Contact problem

Özet:
Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler (FDM), mekanik özellikleri bir noktadan diğer bir noktaya sürekli değişen, homojen olmayan özel bir malzeme tipidir. Belirli bir hacimsel oranda karıştırılan iki malzeme ile oluşturulan FDM yapılar, kompozit malzemelerin teknolojide cevap veremediği durumlara çözüm kaynağı olmuştur. Mühendislik uygulamalarında parçaların, malzemelerin çoğu zaman kaçınılmaz temasından dolayı ortaya çıkan sürtünme en önemli problemlerden biridir. Aşınma çoğunlukla sürtünmeli yüzeylere uygulanan yüksek gerilmelerden kaynaklanmaktadır. Yüzey altı gerilmelerin hesaplanması bileşenlerin mekanik tasarımı açısından çok önemlidir çünkü hasarların çoğu yüzey altı gerilmelerin daha yüksek seviyelere ulaştığı bölgelerdeki yorulma ve kırılmadan kaynaklanmaktadır. Bu çalışmada yanal dereceli malzemeler yüzeyde uzaysal değişim gösteren sürtünme katsayısı içerecek şekilde modellenmiştir, sürtünmeli temas kaynaklı yüzey altı temas gerilme dağılımı sonlu elemanlar programında analizler koşturularak çözülmüştür. Bu çalışmanın temel özgünlüğü yanal derecelendirilmiş malzemelerde yüzey altı gerilme dağılımı sonuçlarının temas bölgesinde uzaysal değişim gösteren sürtünme katsayısı düşünülerek elde edilmesidir. Elde edilmiş sonuçları doğrulamak için daha önce literatürde yer alan benzer çalışmalardan ve analitik sonuçlardan faydalanılmıştır. Sürtünmeli temasa maruz yanal dereceli malzemeler genel amaçlı bir sonlu elemanlar analizi programı olan ANSYS Mechanical APDL (ANSYS Parametric Design Language) kullanılarak modellenmiştir. Yanal yönde derecelendirilmiş malzeme modeli ve yüzeyde uzaysal değişen sürtünme katsayılı temas için parametrik bilgisayar kodları geliştirilmiş olup bu kodlar ANSYS Mechanical APDL içerisinde çalıştırılarak parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlarda yanal dereceli malzemelerde farklı temas şartları altında (örneğin farklı malzeme heterojenliği, sürtünme katsayısı, sürtünme katsayısının uzaysal değişimi) yüzey altında oluşan gerilim dağılımı incelenmiştir.

Abstract:
Functional graded materials (FGMs) are nonhomogeneous type of material whose mechanical properties  vary continously from one point to another. FGM structures created with two materials mixed at a certain volumetric rate have been the solution source for situations where composite materials can not respond in technology. In engineering applications, friction is one of the most the important problems that occurs due to the unaviodable contact of materials. The abrasion is mostly due to hig stresses applied to friction surfaces. Calculation of sub-surface stresses is very important in terms of the mechanical design of the components since most of damage is due to fatigue in areas where sub-surface stresses have reached higher levels. In this study, laterally graded materials was modeled to include a friction coefficient that varies spatially on the surface then subsurface contact stress distribution caused by friction contact solved by running analyzes in finite element program and considering different loading geometric conditions. The main originality of this study is that the results of subsurface stress distribution in laterally graded materials are obtained by considering the friction coefficient which varies spatially in the contact area. Similar studies and analytical results were used to confirm the results to be obtained in the literature. The laterally graded materials exposed to friction contact were modeled using ANSYS Mechanical APDL (ANSYS Parametric Design Language) which is a general purpose finite element analysis program. Parametric computer codes were developed for laterally graded material model and spatial changing friction coefficient contact on the surface and parametric analysis carried out by running these codes in ANSYS Mechanical APDL. In the results to be obtained in laterally graded materials under different contact conditions (for example, different material heterogeneity, friction coefficient, spatial variation of coefficent of friction) were examined.