Transcript Document
İzotropik malzemelerin mekanik özellikleri bütün doğrultularda aynıdır. Anizotropik malzemeler mekanik özellikleri yönlere farklılık gösterene malzemelerdir. İzotropik δ1= δ2 malzeme (METALler) Anizotropik Malzemeler (AHŞAP) δ1 Ξ δ2 δ1≠ δ2 δ1 ≠ δ2 Hooke Kanunu • Hooke Kanunu : Elastik malzemeler için, gerilme ile birim şekil değiştirme doğru orantılıdır ve zamandan bağımızdır. Elastisite Modülü, E: F s E s=Ee e Lineerelastik F Basit çekme deneyi Anizotropik malzemeler için, gerilme birim şekil değiştirme arasında altı denklemle verilen doğrusal ilişki, “Genelleştirilmiş Hooke kanunuları olarak adlandırılır” σxx = C11εxx+C12εyy+C13εzz+C14γxy+C15γxz+C16γyz σyy = C21εxx +C22εyy+C33εzz+........... σzz = C31εxx + C32εyy+.......... τxy = C41εxx +........... τxz = C51εxx +........... τyz = C61εxx +........... Geneleştirilmiş altı Hooke denklemleri matris formunda yazılabilir Gerilme Elastik sabitler Birim şekil değiştirme Gerilme-şekil değiştirme ilişkilerine bünye denklemleri denir. Simetriden C12=C21, C31=C13...olduğu gösterilebilir. Buradan , anizotropik malzmelerin bağımısız elastik sabitleri 21 düşer. İzotropik elastik sabitlerinin sayısı 2 ye düşer. Aslında , bunlar 4 dür (E, ν, K, G) Fakat sadece 2 bağımsızdır. Izotropik malzemeler için Genelleştirilmiş Hook denklemleri E, n ve G elastik sabitlerdir YANLIZCA ÇEKMEYE MARUZ İZOTROPIK MALZEMELER YANLIZCA KESMEYE MARUZ İZOTROPIK MALZEMELER Elastik malzemelerde gerilme birim şekil değiştirme ilişkileri doğrusaldır ve zamandan bağımsızdır. Ancak bu ideal davranıştan herzaman bir sapma söz konusudur. σ ε σ A o B C Mekanik def. Thermal def. ε Malzeme hızlı çekildiğinde (OA Doğrusu), Hacmi artar ve sıcaklığı düşer (Çevreden ısı transferine zaman kalmadan) Eğer malzeme etki eden yük altında yeteri kadar uzun süre tutulur ise oda sıcaklığına erişecek kadar ısınır ve uzar (AB doğrusu) σ Adiabatik doğru A o B C Mekanik def. Thermal def. ε Yük kaldırılırsa malzeme geri döner(BC dogrus) ve sıcaklığı artar. Soğumasına izin verilirse oda sıcaklığına kadar soğur (CO doğrusu). Bu davranışa “adiabatik proses”. adı verilir. Burada çevreden herhangi bir ısı alış verişi yoktur. Eğer malzeme sıcaklık değişimini sabit tutacak şekilde yüklenirse “isothermal davranış” gösterir. OB doğrusu. σ Eadiabatic > Eisothermal A B Adiabatik doğru Isothermal l o doğru C Mekanik def. Thermal def. ε Gerçekte, adiabatik davranış söz konusu değildir, herzaman belli oranda bir ısı transferi olmaktadır. Bu nedenle σ-ε eğrisi aşağıdaki şekildeki gibidir σ ε Bu döngüye “HYSTERESIS DÖNGÜ” yükleme ve boşaltma sırasındaki disipe olan ısıyı temsil eder.(kayıp olan enerji) Metallerin elastik analizinde gerilmenin sadece birim şekil değiştirmeye bağlı olduğu kabul edilir. Bu tamamı ile doğru değildir ve elastisitenin zamana bağlılıkta söz konusudur. Metallerde zaman bağlılık etkisi az olduğundan ihmal edilebilir düzeydedir. Ancak polimer malzemelerde bu etki önemli boyutlardadır. Zaman bağlı elastisite genel olarak “anelasticity”.elastisiteden sapma ve malzeme ic yapı sürtünmesi ile alakalıdır. Örnek 1: P1 5cm 10cm P3 P2 P2 50cm P3 Prismatik çelik numune aşağıdaki yük kombinasyonuna maruz kalıyor . P1=900kN P2=-900kN P3=900kN ν=0.26, E=200GPa P1 Hacimdeki değişimi bulunuz. Hacimsel değişme olmaması için uygulanması gereken basınç kuvveti ne olmalıdır Başlangıç hacmi V0 = 1 Son hacim Vf olsun: (1+ε) (1-νε) (1-νε) = (1+ε) (1-2νε+ν2ε2) = 1 - 2νε + μ2ε2 + ε-2νε2 + ν2ε3 = 1 + ε - 2νε - 2νε2 + ν2ε2 + ν2ε3 ε is small, ε2 & ε3 are smaller and can be neglected. Vf = 1+ ε - 2νε → ΔV = Vf - V0 = ε (1-2ν) Eğer bütün yüzeyleri eşdeğer basınca maruz kalırsa: ΔV = 3ε (1-2ν) σ σ σ σ σ Ξ K= + σ SΔV = 3ε (1-2ν) = K= + savg DV/V0 = ε (1-2ν) (σ+σ+σ)/3 3ε (1-2ν) E 3 (1-2ν) + = ε (1-2ν) σ 3ε (1-2ν) + = ε (1-2ν) E 3 (1-2ν) K ile E arsında bağıntı : K= E 3 (1-2ν) G ile E arasındaki bağıntı G, E ve K arasındaki bağıntı G= 1 E E 2 (1+ν) = 1 1 + 9K 3G a) σ1 = P1 A1 900*103(N) = = 2180 MPa = 0.18 GN/m2 50x100(mm ) P1 A1 σ2 = -P2 A2 = -900*103 500x50 A2 P2 = - 0.036 GN/m2 σ3 = A3 P3 P3 A3 = 900*103 500x100 = 0.018 GN/m2 σavg = σ1+σ2+σ3 3 0.18-0.036+0.018 = = 0.054 GN/m2 3 V0 = 0.05 x 0.10 x 0.5 = 2.5x10-3 m2 200 E 2 = 138.96 GN/m = K= 3(1-2ν) 3(1-2*0.26) 138.96 = 0.054 ΔV/2.5x10-3 ΔV = 9.7x10-7 m3 b) For ΔV = 0 ν = 0.26 ν = 0.5 or σavg = 0 ise σavg = 0 olmalıdır σavg = σ1 + σ2 + σ3 = 0.18 + σ2 + 0.018 = 0 σ2 = -0.198 GN/m2 P2 = -0.198 * 500 * 50 = -4950 kN Örnek 2: 3 cm çapında ve 75 cm boyundaki Bir aluminyum alaşım çubuk 2000 kgf luk bir çekme yüküne maruz kalıyor Eksenel birim şekil değiştirme, εl b) Boydaki değişim, Δl c) Çaptaki değişim, Δd Malzeme sabitleri E = 7x105 kgf/cm2 ν = 0.33 a) 75 cm 2000 kgf 3 cm 2000 kgf a) E = σ εl σ εl = E 2000/(π*32/4) = 7x105 εl = 4.042x10-4 cm/cm b) εl = ΔL L εyanal c) ν = εeksenel (Çekme) ΔL = 4.042x10-4 * 75 =0.0303 cm εlat = ν . εl Δd = ν . εl . d Kısalma = 0.33 * 4.042x10-4 * 3 = 0.0004 cm d) K = σavg = ΔV/V0 E 3(1-2ν) σavg*3*(1-2ν) ΔV = V0 E ΔV = V0 σavg*3*(1-2ν) E = = 0.073 cm3 * Hacimsel genişleme Kristal yapılarda plastik deformasyon dislokasyon hareketleri ile oluşur. Kristalik olmayan yapılarda ise plastik deformasyon viskoz akış yüzünden olur Vikoz akışın karakterisitiği, viskozite, kristal olmayan yapıların deformasyona karşı gösterdiği direncin ölçülmesidir. A plakası F L V Teğetsel bir (F) kuvveti sıvı üzerindeki bir plakaya uygulandığında ,plaka tabana göreceli olarak hareket eder Herbir seviyedeki sıvı parçacıklarının hızı L mesafesinin bir fonkisyonudur.Bu nedenle parçacıkların pozisyonlarının değiştiği andaki oran, akış oranın ölçümünü verir. Hız gradyantı Newton eşitliği: τ= 1 F/A τ = η dV dL dV dL = dγ dt Akış oranı dV F=η dL A η : viskozite katsayısı & τ=η dγ dt 2 Viskozitenin birimi Pa.s (Pascal-saniye) (N.s/m2) (1) ve (2) denklemlerine uyan akışkanlara Newton akışkanı denir. Defermasyon hızının kayma gerilmesiyle doğru orantılı olduğu akışkanlara Newton tipi akışkanlar denilmektedir Newtonian liquids η Viskozite sıcaklığa bağlı olarak değişir.. A: Sabit 1 = A . e-E/RT η E: Enerji aktivasyonu R: Gaz sabiti T: Sıcaklık Newton akışkanına katı parçacıklar eklendiğinde, viskozite artar. 1) η = η0 (1+2.5 Ø) η0: mevcut akışkanın viskozite katsayısı. Ø: katı parçacıkların 2) η = η0 (1+2.5 Ø + 14.1 Ø2) hacimsel yoğunluğu NEWTON TİPİ OLAMYAN MALZEMELER Bazı özel malzemeler, τ-dγ/dt ifadesi Newton tarafından tanımlana lineerliğe uymaz. Yani Viskozite kayama birim şekil değişterme hızı ile değişiyordur. η, kayma hızının artışıyla artıyor ise, Dilatant(Kalınlaşan): Newtonian dγ/dt or τ (kil) η Newton tipi: (bütün akışkanlar) Psödoplastik: η, kayma hızının artışıyla azalıyorsa, dγ/dt or τ (plastikler, kan, elma püresi) dγ/dt ve τ arasındaki ilişki genel olarak aşağıdaki denklemle ifade edilir dγ = τn . 1 η dt If n=1 → Newtonsal n > 1 → Psödoplastik n < 1 → Dilatant Taze çimento hamuru ve karışımı, sıvı ortamında çok ciddi oranda yoğun katı paçacıkalrına sahiptir. Bu malzemenin davranışı Bingham denklemi ile tanımanır. τ = τy + η dγ dt dγ dt τy τ ( τy kadar akış yoktur) VISKOELASTISİTE ve REOLOJİK MODELER Viskoelastik davranış, isminde anlaşılacağı gibi, elastisite ve viskozitenin birleşimidir. Böyle bir davranış Reolojik Modellerle tanımlanır.Bu modeller elastisiteyi tanımlayan yaylardan ve viskoziteyi tanımlayan dashpots(amortisör)den oluşur. Yük (Yük) t0 Birim Şekil Değiştir me Strain t1 Zaman (Elastik) ε = σ/E t0 t0 Strain t1 t1 Zaman Zaman (Viskoz) dε/dt = σ/γ (Viskoelastik) t0 t1 Zaman Viscoelastik davranışı tanımlayan Reolojik Modeller: • Maxwell Model • Kelvin Model • 4-Elemen Model (Burger’s Model) 1. Maxwell Model: σ Bir yay ve amortisör olarak bağlanır k=E β = 1/η σ Herbir elemenadaki gerilme aynıdır: σyay = σdashpot Ancak, deformasyon aynı değildir: εyay ≠ εdashpot Yük (gerilme) yaya uygulandığı zaman yay hemen karşılık verir ve εyay = σ/E şeklinde deforme olur Aynı zamanda dashpot pistonuda hareket etmeye başlar ve βσ = σ/η oranında hareket eder ve t anındaki pistonun deformasyonu s e dashpot sdt dt 0 0 t Sistemin toplam deformasyonu: t s s e t e spring e dashpot dt E 0 t Dinlenme: Viskoz malzemelerin önemli bir davranış şeklidir. Malzemenin sabit birim şekil değiştirme altında iken gerilmenin ani düşmesi olayıdır. σ ε σ0 ε0 t t e e spring e dashpot de de s de d dt dt dt & de d s dt If ε sabit ise → ds Es dt Bu dif denk çöümü de s 1 ds s es E dt E dt de 1 ds s dt E dt de 1 ds s 0 0 dt E dt s s 0 .e E t Burada : σ0 = Eε0 ε t rel ε0 E Dinlenme zamanı viskozite parametresidir t Eğer cisim sabit strain σ σ0 Slope @ t=0 0.37σ0 trel t altında ise , gerilme zamanla azalarak kayıp olur(relaks). Bu olay bazı seramiklerde, camlarda ve betonda görülür. 2. Kelvin Model: Yay & a dashpot paralel σ 1/η E σ bağlanmıştır. Bu durumda deformasyonlar aynı fakat gerilmemeler farklıdır. εspring = εdashpot σspring ≠ σdashpot σ = σspring + σdashpot E.e spr de dash . dt σ de s Ee dt σ0 t E t s0 s de e e 1 e E E dt E ε (Delayed elasticity) t Her bir strain artımında yay σ/E kadar deforme olur. Yükün bir kısmı yay tarafından karşılandığından pistondaki yük azalır. Bu nedenle zaman en son deformasyon asimptotik olarak yaklaşılır ve yük kaldırıldığı zaman, σ=0. oluncaya kadar asimptotik geri dönüş olur Viscoelastik Kelvin modeli sabit gerilmeye maruz kaldığında σ0, davranışı diff denklemin çözülmesi ile aşağıdaki gibi elde edilir. e s 0 E E 1 e t σ e s0 E t ret t ε s0 t=∞ E Geciktirme zamanı Gerildiğinde yaydaki elastik deformasyon dashpotun viskoz deformasyonu tarafından geciktirilir ε0 0.63ε0 E tret Geciktirilmiş elastik strain (delayed elastic strain) 3. Burger’s Model: Gerçek viskoelastik davranış oldukca karmaşıktır. Basit modeller, Maxwell & Kelvin Models,temel vskoelastik davranışı açıklar. The Maxwell Modeli, örneğin, viskoz karaktersitiği vardır ve viskoelastik malzmelerin dinlenme davranışını açıklar Diğer taraftan Kelvin Model katı karaktersitiği vardır ve geciktirilmiş elastisiteyi açıklar. Ancak bu modellerden hiç biri kompleks viskoelastik davranışı tanımlamaz. E ve η sabitlerinden farklı diğere sabitlere sahip karmaşık modeller vardır. Bunlardan biri BURGER, tarafından geliştirilmiştir. Bu modelde Maxwell Model ve Kelvin Modeli seri halinde birleşitirmişitir σ σ σ0 E1 t η1 η2 E2 σ εvis+εret ε ε1 ε1 t εvis E2 t s0 s0 s0 e t 1 e 2 E1 1 E2 Spring Dashpot (elastik) (viscous) Kelvin (geciktirilmiş elastisite) Çoğu mühendislik mazlemelerinin 4-Element Modeli tanımlanmış davranışdan belli sapmalar içermektedir.. Bu nedenle deformasyon denklemi genellikle aşağıdaki gibi yaklaşık olarak ifade edilir s qt n ks 1 e s t E Elastik Geciktirilmiş Elastisite Viskozite Burada “k, β & γ” malzeme sabitleri & “α, n” ise lineer olamayan davranışla ilgili sabitlerdir. 1 k E q 1 t ret E 1 Örnek 1: Bir tür yağın, aşağıdaki grafikle deneysel olarak belirlenmiş kayma gerilmesi ile deformasyon(akış) hızı arasındaki ilişki verilmiştir. Buna göre bu yağın viskozite katsayısını bulunuz. d 1 d dt dγ/dt (1/sec) 0.9 dt 0.6 20 N 33.3 2 sec . 0 .6 m 0.3 10 20 30 τ (Pa) Example 2: Uzunluğu 75 cm olan beton numune 150 kgf/cm2 lık sabit basınç gerilmesi altında iken aşağıdaki değerler elde ediliyor. t (month) ε 0 0.0006 1 0.0007 Farz edin ki s e B.s .t E B sabit. 150 kgf/cm2 gerilme altındaki betonun 6 ay sonraki deformasyonu ne olur? s @ t 0 e 0.0006 E 1 10 4 @ t 1 e 0.0007 0.0006 B.150.1 B 150 1 10 4 @ t 6months e 0.0006 150 6 0.0012 150 Example 3: 2.5cm çapında ve 2.5m uzunluğundaki bir cam çubuk 450°C de 10 kgf lık çekme kuvvetine maruz kalıyor a) 100 saat sonra çubukdaki deformasyonu hesaplayınız η=2x1012 poise @ 450°C ve E=1.55x105 kgf/cm2 η=2x1012 poise (1 poise = 1 dyne.sec/cm2) & (1 kgf = 106 dyne) Bu sıcaklıkta çubuğun Maxwell Modeli ile tanımlandığını farz edelim. a) Normal Gerilme-birim şekil değiştrime Strains viskos davranışla tanımlansın. dε/dt=σ/λ Burada λ , “viskosite katsayısı ” ve “3η”. s 10kgf 2.5 4 2 2.04 kgf cm 2 η=2x1012 poise (1 poise = 1 dyne.sec/cm2) & (1 kgf = 106 dyne) de s 2.04 10 dyne 7 1 3 . 4 10 sec dt 3 3.2 1012 poise 6 After 100 hrs the total strain is 3.4x10-7x100x60x60 = 0.1244 Δ = 0.1244x250 = 30.6 cm