Makine ve yapı elemanlarında üç boyutlu MOD-I çatlak ilerleme problemlerinin FCPAS ile analizleri

Abstract

Mühendislik yapılarında görülen bazı çatlakların davranışı, iki boyutlu modelleme ve analiz teknikleri ile tahmin edilebilir olmakla beraber, çoğu çatlak üç boyutlu olup yüzey, köşe veya gömülü çatlak şeklinde görülmektedir. Ayrıca, bazı üç boyutlu mühendislik yapılarındaki çatlak problemlerinde, parçanın yorulmalı çatlak ömrü, tüm ömrünün önemli bir kısmını da teşkil edebilmektedir. Bunlara ek olarak, bazı üç boyutlu çatlak ilerleme problemleri düzlemsel olmayan yüzeylerde de bulunabilmektedir. Birçok düzlemsel yorulmalı çatlak ilerleme problemi, çatlak ilerlemesinde etkin faktör olarak mod-I gerilme şiddeti faktörü ile değerlendirilmektedir. Bu tezde, gerçek geometriler üzerinde endüstri ve uygulamada karşılaşılan bazı üç boyutlu mod-I çatlak ilerleme problemlerinin analizleri sunulmaktadır. Bu analizlerde, detayları gelecek bölümlerde verilen mod-I yorulmalı çatlak ilerleme analiz prosedürü uygulanmakta ve elde edilen sonuçlar literatürdeki veriler ile doğrulanmaktadır. Çatlak ucu gerilme şiddet faktörü dağılımı zenginleştirilmiş sonlu elemanlar ile hesaplanmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, daha önce FCPAS (Fracture and Crack Propagation Analysis System) içerisinde geliştirilerek plaka ve silindir gibi geometrilere uygulanmış olan analiz prosedürünü pratikte görülen ve daha karmaşık şartları içeren enerji, ulaştırma ve havacılık alanlarındaki diğer mod-I çatlak ilerleme problemlerine uygulamak ve FCPAS kabiliyetlerinin pratikte görülen problemelerle de sağlamasını yapmaktır. Bu kapsamda beş adet uygulama yapılmıştır; 1) UIC 60 ray profilinde yorulma çatlak ilerlemesi, 2) Bir enerji santralindeki tübüler yapıda yorulma çatlak ilerlemesi, 3) Helikopter taşıyıcı çerçeve üzerinde yorulma çatlak ilerlemesi, 4) Bir türbin kanat modelinde yorulma çatlak ilerlemesi, 5) Havşalı delikli plakada yorulma çatlak ilerlemesi. Analizlerden elde edilen sonuçlar, literatürde bulunan sonuçlarla karşılaştırıldığında sonuçların birbiriyle uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Bu sayede, adı geçen teknoloji alanlarında görülen mod-I yorulmalı çatlak ilerleme problemlerinin bu tezde sunulan ve uygulanan yöntemle analiz edilerek ömürlerinin hesaplanabileceği gösterilmiştir.

Although some cracks seen in engineering structures can be approximated by two dimensional modeling and analysis techniques, most of them are three dimensional in nature and they appear in the form of surface, corner or embedded cracks. Furthermore, in many engineering problems which involve cracks and cyclic loads, the fatigue crack propagation life of the component under consideration can be significant part of its overall mechanical life. Though some crack propagation problems are truly three-dimensional, i.e., crack faces evolve into non-planar surfaces, there are many structural problems that involve planar fatigue crack propagation under mode-I stress intensity factor as a crack driving force. In this thesis study, some mode-I fatigue crack propagation practical cases which are seen in industrial application studies with with real three dimensioned part geometry are analized and presented. In the analysis mode-I fatigue crack progress propagation analysis procedure is applied and the results are verified with literature data. Distributions of crack tip stress intensity factors on crack front are calculated using enriched finite elements. The purpose of this study to apply and provide analysis procedure that is developed in FCPAS before for plate and cylindirical geometries, on more complex geometries for mode-I crack propagation problems which are seen in energy, transportation and aviation area. In this context, five applications have been chosen; 1) fatigue crack propagation on UIC 60 rail, 2) fatigue crack propagation in power-plant pipe, 3) fatigue crack propagation in helicopter lift frame, 4) fatigue crack propagation in turbine model, 5) fatigue crack propagation in plate with countersunk holes. The results obtained from the analyses have good agreement with literatüre and are observed to be compatible with each other when compared with the results found in the literature. Thus, this study shows that the calculation of life on common mode -I crack propagation with the presented procedure can be used on the aforementioned technology areas.