Düşük hızlı çarpma yükleri altında fonksiyonel kademelendirilmiş dairesel plakaların mekanik davranışlarının incelenmesi
An investigation on mechanical behaviors of functionally graded circular plates under low velocity impact loadings
Yazar: MURAT AYDIN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. RECEP GÜNEŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Genel olarak malzemeler tek biçimlidirler, kendi içlerinde malzeme özelliği olarak değişim göstermezler. Buna karşın bir tarafının özellikleri diğer tarafınınkinden farklı olan ve bu farklı bölgeler arasında fonksiyonel bir geçişin olduğu malzemeler fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler (Functionally Graded Materials = FGMs) olarak adlandırılır. Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler, seramik-metal bağlantıların ara yüzeylerinde termo-mekanik uyumsuzlukların azaltıldığı en uygun yapılardır ve böylece yüksek sıcaklık ortamlarında çalışan yapılarda oluşan artık gerilmeleri de azaltabilirler. Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin uygulama alanları uzay, nükleer ve otomobil endüstrileri gibi oldukça özellikli yerlerdir. Bu nedenle fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin mekanik özelliklerinin ve malzeme karakterizasyonunun belirlenmesi oldukça önem taşımaktadır. Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler zor çalışma şartlarına sahip darbeli ortamlarda veya balistik amaçlı olarak da kullanılabilirler. Bu nedenle bu malzemelerin darbe dayanımlarının da belirlenmesi oldukça önemlidir.Bu tez çalışmasında, fonksiyonel kademelendirilmiş dairesel plakaların düşük hızlı darbe davranışları sayısal ve deneysel olarak incelendi. Yapılan sayısal analizler bir sonlu elamanlar paket programı olan LS-DYNA ile gerçekleştirildi. Analizler farklı katman sayısı, malzeme kompozisyonu, vurucu hızları ve farklı plaka çapları (R/h) için tekrarlandı. Fonksiyonel kademelendirilmiş dairesel plaka kenarlarından ankastre bağlanmış ve seramik zengin yüzeyden merkezi çarpmaya maruz bırakılmıştır. Kompozisyonu kalınlık boyunca değişen dairesel plaka, seramik (SiC) ve metal (Al) fazlardan oluşmuştur. Seramik ve metal katmanlar arasında kalan fonksiyonel kademelendirilmiş bölgenin mekanik özelliklerinin plaka kalınlığı boyunca sürekli olarak bileşenlerin hacimsel oranlarındaki değişime bağlı olarak bir üstel kanuna göre değiştiği varsayılmıştır. Kademelendirilmiş bölgedeki lokal malzeme özelliklerinin hesaplanmasında mikromekanik model olarak Mori-Tanaka şeması kullanıldı. Elasto-plastik analizler için iki farklı bileşene sahip yapılarda bileşenlerin tek eksenli gerilme-şekil değiştirme değerlerini kullanarak kompozit malzemenin gerilme şekil değiştirme eğrisini veren TTO (Tamura-Tomota-Ozowa) model kullanıldı.Deneysel çalışmada kullanılan fonksiyonel kademelendirilmiş dairesel plakalar Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kompozit Malzemeler Laboratuarında katmanlama yöntemi (powder stacking-hot pressing) ile beş farklı malzeme kompozisyonu için (n=0.1, n=0.5, n=1, n=5 ve n=10 ) üretildi. Numunelerin üretimi için seramik faz olarak 50 mikron boyutlarında Silisyum Karbür, metal faz olarakta 10 mikron boyutlarında Alüminyum tozlar kullanıldı. Üretilen numunelerin düşük hızlı çarpma testleri ise Mekanik Laboratuarında bulunan CEAST marka düşük hızlı darbe test cihazında farklı malzeme kompozisyonları için üç farklı hızda (v=1, 1.5 ve 2 m/s) gerçekleştirildi. Elde edilen deneysel ve sayısal veriler mukayese edilerek sayısal model iyileştirilmeye çalışıldı.Anahtar Kelimeler: Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler (FGM); Düşük hızlı darbe, Elasto-plastik analiz, Sonlu elemanlar metodu.

Abstract:
Generally materials become in a unique form, thus, the material properties don't change inside. On the other hand, the material properties of structures made of functionally graded material (FGM) vary continuously in the macroscopic sense from one surface to the other surface. Functionally graded materials are most suitable structures which reduce thermo-mechanical mismatches along the metal-ceramic interfaces. They can also reduce residual stresses in such structures in high temperature environments. FGMs have special applications such as aerospace, nuclear and automobile industries. Therefore, it is important to determine the mechanical properties and material characterization of the functionally graded materials. FGMs are also used for ballistic purposes or percussive applications where the operating conditions are severe. Therefore, it is necessary to know the behaviors of FGMs under impact loadings.In this study, the low speed impact behaviors of functionally graded circular plates were investigated numerically and experimentally. A finite element program LS-DYNA was used for the numerical analysis. The effects of layer number, material composition, impactor velocity and plate radius on the impact behavior of FGM plates were investigated. Functionally graded circular plate was subjected to a central impact load on its ceramic surface for the clamped boundary condition. The mechanical properties of the material are assumed to vary continuously through the plate thickness between the metal (Al) and ceramic (SiC) layers according to a power-law distribution of the volume fraction of the constituents. The locally effective material properties were evaluated using homogenization method based on the Mori-Tanaka scheme. The TTO (Tamura-Tomota-Ozowa) model which relates the uniaxial stress and strain of a two-phase composite to the corresponding average uniaxial stresses and strains of the two constituent materials were used for the elasto-plastic analysis.For the experimental studies, functionally graded circular plates with five different material compositions (n=0.1, 0.5, 1, 5 and 10) were manufactured with powder stacking-hot pressing method at the Composite Materials Laboratory in Erciyes University. SiC powder of 50 micron as ceramic phase and Al powder of 10 micron as metal phase were used in order to produce of FGM specimens. Low speed impact tests were carried out in the Mechanic Laboratory in Erciyes University by using CEAST drop-weight impact device. Experiments were carried out for three different impact velocities (v=1, 1.5 and 2 m/s). Experimental results were compared to numerical results in order to improve the numerical model.Keywords: Functionally graded materials (FGMs); Low velocity impact; Elasto-plastic analysis; Finite element method.