Polimerik malzemelerin viskoelastik-viskoplastik davranışlarının belirlenmesi ve modellenmesi
Determination and modeling of viscoelastic-viscoplastic behavior of polymeric materials
Yazar: NECMİ DÜŞÜNCELİ
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Modelleme = Modelling ; Polimer malzemeler = Polymer materials

Özet:
Polimerik malzemelerin kullanımının yaygınlaşmasından dolayı, çok sayıda çalışma bumalzemelerin mekanik davranışının belirlenmesi ve modellenmesi üzerine yoğunlaşmıştır.Yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) boru üretim endüstrisinin ana hammaddesini teşkiletmektedir. YYPE'nin mekanik davranışı üzerine çok sayıda deneysel çalışma vemodelleme çalışması olmasına rağmen imalat yöntemlerinin etkisini araştıran çalışmasayısı çok azdır.Bu tez çalışması, YYPE'nin mekanik davranışını, belirlemek ve modellemek amacı iledeneysel ve modelleme olmak üzere iki temel kısımdan meydana gelmektedir. Deneyselçalışma kısmında, YYPE'nin imalat yöntemine bağlı mekanik davranışını incelemek üzereekstrüde boru ve basınçta kalıplanmış levhadan elde edilen numuneler ile, üç farklı gerinimhızında çekme (yükleme ve boşaltma), elastik, viskoelastik ve viskoplastik davranışsınırlarına denk gelen gerilme (gerinim) seviyelerinde sünme (sürünme, creep)) ve gevşemedeneyleri gerçekleştirilmiştir.Modelleme kısmında, YYPE'nin tek eksenli monotonik yükleme şartlarında yüklemeboşaltma,çevrimsel yükleme, katlamalı sünme ve gevşeme davranışları ?overstress?'edayanan viskoplastisite teorisi (VBO) ile modellenmiştir. Daha sonra, ekstrüde numunedeney sonuçları sonlu deformasyon seviyesinde model davranışını incelemek üzere hemsonlu VBO (FVBO) hem de Boyce vd. (2000) modeli ile modellenmiştir. Her iki modelinsimülasyon sonuçlarının deneysel sonuçlarla karşılaştırılmasından, FVBO modelinmodelleme kabiliyetinin oldukça başarılı olduğu, Boyce vd. (2000) modelinin ise yetersiznoktalarının bulunduğu görülmüştür.Modelleme çalışmasının ikinci kısmında, VBO model, kristallik oranına bağlı olarakdeğişen yarıkristal polimerik malzeme davranışını modellemek üzere modifiye edilmiştir.Bu modifikasyonda kompozit malzeme varsayımına dayanarak amorf ve kristal fazlar ikifarklı malzeme gibi düşünülmüştür, VBO modeli paralel ve seri bağlanmış türde iki farklıanalog modelle ifade edilmiştir. Bu iki tür modifiye VBO modeli kullanılarak değişikkristallik oranlarında yükleme-boşaltma, sünme ve gevşeme simülasyonları yapılmıştır.Paralel bağlı durumda modifiye VBO kristallik oranına bağlı yükleme-boşaltma, sünme vegevşeme davranışlarını açıklamakta başarılı olmuştur. Çalışmanın son kısmında, VBOmodel içeriğideki malzeme parametreleri Genetik Algoritma (GA) prensibine dayananoptimizasyon yöntemi ile belirlenmiştir. Bu optimizasyon yöntemi malzemeparametrelerinin daha sağlıklı, daha güvenilir ve daha hızlı belirlenmesini sağlamıştır.Anahtar kelimeler: Polimerik malzeme, viskoelastisite, viskoplastisite, modelleme,çekme, sünme, gevşeme deneyleri.

Abstract:
Due to the increased use of polymeric materials, much research has focused on understandingtheir viscoelastic and viscoplastic behaviors and modeling their mechanical behavior underdifferent loading conditions. High density polyethylene (HDPE) has been widely used in thepiping industry as a raw material. Even though there are large numbers of experimental andanalytical investigations on HDPE, a few of them has examined the effects of manufacturingtechniques on the small and finite deformations.This study is constituted over two main parts: expertimental and modeling in order to understandthe deformation mechanisms and mechanical behavior of HDPE. In the part of experimentalstudy, the mechanical behaviors of HDPE associated with manufacture methods are investigated.The nonlinear mechanical behavior of HDPE is investigated using samples obtained fromextruded HDPE pipe and compression molded sheet. Extruded and compression moldedspecimens are constituted the same raw materials. Extensive experimental work has beenperformed to characterize the nonlinear time dependent response of the material. The tensileloading-unloading behaviors with three different strain rates are investigated. In addition, creepand relaxation behavior of HDPE at the beginning of elastic, viscoelastic and viscoplastic regionsare investigated.In the part of modeling, the viscoelastic and viscoplastic behaviors of HDPE under uniaxialmonotonic, cyclic loading, multiple creep and relaxation are modeled using the modifiedviscoplasticity theory based on overstress (VBO). The visco-elastic modeling capabilities of themodified VBO are investigated by simulating the behavior of semicrystalline HDPE underuniaxial compression tests at different strain rates. Afterwards, the experimental results ofextruded HDPE have been simulated using the finite viscoplasticity theory based on overstress(FVBO) model. In addition, the macro-mechanical model containing microstructural variableswhich is introduced by Boyce et al. (2000) is used to simulate the aforementioned behavior ofHDPE. The simulation results of these two models are compared to the experimental data.Comparing overstress model and Boyce model in levels of finite and small deformation, revealsthat FVBO is capable of modeling all investigated viscous behaviors: rate dependency, creep,relaxation. However, the model introduced by Boyce can model only loading behavior, but notunloading and creep and relaxation behavior. Boyce et al. (2000) model is capable of modelinglarge deformation, however, the response of the model at small deformation is not good enough.In the second part of modeling study, VBO model is extended to account for crystallinity rate ( ? )on mechanical behavior of semicrystalline polymers. The modifications on VBO are doneconsidering the semicrystalline polymeric material as a composite material since it consists ofamorphous and crystalline phases. Amorphous and crystalline phase resistances are arranged intwo different analog models: amorphous stiffness and flow are in parallel and series withcrystalline phase. Apart from many existing work in the literature, not only uniaxial loading aremodeled but also creep and relaxation behaviors are simulated. It is shown that when amorphousand crystalline phase resistances acting in parallel are considered in the model, creep, relaxationand uniaxial loading and unloading behaviors can be simulated well using the modified VBO.In the final part of the investigation, the material parameters of VBO model are optimizedoptimization method based on genetic algorithms. With this optimisation method, parameters areobtained more accurately and a relatively fast way.Keywords: Polimeric materials, viscoelasticity, viscoplasticity, modelling, axial tension, creep,relaxation experiments.