Yayılı yük altında bulunan levhalardaki eliptik karışık mod yüzey çatlaklarının FCPAS ile kırılma analizleri

Abstract

Anahtar Kelimeler: Kırılma Mekaniği, Gerilme Şiddet Faktörü, Mod-I, Mod-II, Mod-III, Levhalar, Sonlu Elemanlar Yöntemi Mühendislik tasarımlarında karşılaşılan mekanik sorunlardan biri de malzemelerin ya da parçaların kırılmasıdır. Bu yapıların emniyet ve ömür analizleri için, kırılma mekaniği teknik ve yöntemlerini kullanarak elastik yapılar için gerilme şiddet faktörlerinin hesaplanması gerekmektedir. Pratikte değişik yükler altında bulunan ve çatlak içeren levha türü yapılar ile sıklıkla karşılaşılmakta veya bir çok problem lokal olarak levha problemine indirgenebilmektedir. Bu tez çalışmasında, eksenel gerilme veya eğilme momentine maruz levhalardaki eğik ve dönmüş yüzey çatlaklarına ait üç boyutlu karışık modlu gerilme şiddet faktörleri hesaplamaları FCPAS sonlu elemanlar yazılımı ile gerçekleştirilmiş ve geniş bir gerilme şiddet faktörü kütüphanesi oluşturulmuştur. Çatlak derinliği/levha et kalınlığı (a/t), çatlak derinliği/çatlak genişliği (a/c), eğik ve dönmüş eliptik çatlağın yatay eksenle yaptığı açı gibi parametrelerin değişiminin gerilme şiddet faktörlerine etkileri incelenmiştir. Ayrıca, elde edilen çözümleri pratikte daha yaygın kullanılabilmesi amacıyla, yapılan detaylı analizler sonucu elde edilen gerilme şiddet faktörleri için, probleme etki eden parametrelere bağlı olarak empirik denklemler de geliştirilmiş ve doğrulama analizleri yapılmıştır.

Keywords: Fracture Mechanics, Stress Intensity Factor, Mode-I, Mode-II, Mode-III, Plate, Finite Element Method. One of the mechanical problems encountered in engineering designs is the breakage of structures or parts. It is necessary to calculate stress intensity factors using fracture mechanic approach on elastic structures for safe designs and to predict crack growth life. In practice, cracks can be observed on plate-like structures or they can be modelled locally as a crack in a plate. In this thesis, three dimensional mixed mode stress intensity factors of inclined and deflected surface cracks in plates subjected to axial stress or bending moment are calculated for a wide range of parameter values defining the problem. Stress intensity factors are calculated by using FCPAS (Fracture and Crack Propagation Analyses System) and a large stress intensity factor library is generated. The effect on stress intensity factors by changes on parameters such as crack depth /plate thickness (a / t), crack aspect ratio (a / c), angle of inclination and deflection of the elliptic crack with horizontal axis are investigated. In addition, for the generated solutions to be used more widely in practice, empirical equations have been developed for the stress intensity factors obtained from the detailed analyses as functions of the parameters affecting the problem and they have been further validated by independent case studies.