Manyetik alana duyarlı viskoelastik polimer çubuklarda eksenel dalga karakteristikleri

Mühendisler sıklıkla çeşitli endüstriyel uygulamalarda polimer viskoelastik malzemelerden yapılmış yapısal parçalarla karşılaşırlar. Polimerik basınç çubukları bu konuda oldukça popüler örneklerdendir. Hopkinson basınç çubuğu (SHPB) testi (ayrıca Kolsky aparatı testi olarak da adlandırılır) kullanılarak bu yumuşak malzemelerin dalga yayılım özelliklerini belirlenmesinde yaygın şekilde kullanılırlar. Viskoelastik çubuklarda dalga yayılımı, yüksek gerilme hızları altında darbe ve kırılma çalışmaları ve viskoelastik malzemelerin dinamik davranışının anlaşılabilmesi gibi birçok alanda karşımıza çıkmaktadır. Çubuklar kafes ve çerçeve sistemleri pek çok yapının temelini oluşturan önemli yapısal elemandır. Yük taşıma kapasitesi eksenel olduğundan dalga hareketi de eksen doğrultusunda gelişmektedir. Yapılan literatür araştırmaları göstermektedir ki, yapısal olarak manyetik alan etkilerine karşı duyarsız olmasına rağmen, polimer içlerine ferromanyetik parçacıklar (örneğin karbonil demir tozu (CIP'ler)) yerleştirmek suretiyle manyetik olarak hassas hale getirilebilmektedirler. Daha önce yapılmış birçok teorik ve deneysel çalışma, manyeto reolojik elastomerler (MRE'ler) olarak adlandırılan bu malzemelerin elastik ve reolojik özelliklerinin (manyeto-duyarlı elastomer, magneto-aktif polimer olarak da bilinir) dış manyetik alanların varlığı tarafından etkilenebileceğini açıkça göstermiştir. Manyetik alana duyarlılıkları MRE'leri pek çok uygulama alanı için oldukça cazip kılmaktadır. MR(manyetoreolojik) amortisörler, darbe emiciler, titreşim yalıtıcıları gürültü kontrol elemanları , elastomer taşıyıcı, sinyal işleme ve sabitleme elemanları gibi konular örnek olarak verilebilir. Gelişen teknolojiye paralel olarak, farklı magneto mekanik özelliklerin (özellikle akustikle ilgili) ölçülmesi çeşitli uygulamalı bilim dalları için artan bir öneme sahip olmaya başlamıştır. Bu tezde manyetik alana duyarlı viskoelastik çubukların eksenel dalga karaktersitiği kendisine dik manyetik alan etkisi altında yanal atalet etkisi hesaba katılarak incelenmiştir. Analiz Love Çubuk Teorisi'ne göre yapılmıştır. Poisson etkisini ve manyetik alan etkisini içeren yeni bir dalga denklemi literatürde "efektif yoğunluk" (effective density concept) yöntemi olarak geçen yeni bir kavram kullanılarak türetilmiştir. Malzeme olarak epoksi seçilmiştir. Polimer çubuk standart lineer bir katı viskoelastik malzeme olarak modellenmiştir. Burada kullanılan model elastik bir yayın Maxwell elemanına paralel bağlanmasıyla oluşturulmuştur. Viskoelastik çubuklarda eksenel dalga yayılımını hesaplayan yeni bir denklem yanal atalet etkisi hesaba katılarak türetilmiştir. Sonuçlar bölümünde manyetik alan yoğunluğunun, manyetik alan yoğunluğu oranının, elastiklik oranının ve gevşeme süresinin dalga karakteristikleri üzerine etkisi grafiklerle gösterilmiş ve yorumlanmıştır. Analiz sonuçlarının geçerililik aralığı grafiklerde gösterilmiştir ve açıklanmıştır. Elde edilen sonuçlar bir boyutlu analiz sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Bu çalışma ortaya koymaktadır ki manyetik alana duyarlı polimer çubukların dalga ve sönümleme karakteristikleri çubuk çapına bağlı olarak değişmektedir. Elde edilen karşılaştırmalı sonuçlar çubuk eksenine dik uygulanan manyetik alanın dalga faz hızı ve sönümleme katsayısı üzerinde önemli değişimlere yol açtığını ortaya koymuştur. Çubuk eksenine dik manyetik alan özellikle yüksek frekans değerleri için sönümleme katsıyısını önemli ölçüde azaltacak bir etki yaratmaktadır. Yanal atalet etkisinin geniş frekans aralıklarında manyetik alan şiddetinin artmasıyla etkisini yitirdiği söylenebilir. Burada yer alan analizde dalga hızının ve sönümleme katsayılarının teorik gelişim eğrileri önceki literatürlerde verilen birçok deneysel sonuç ile oldukça uyumlu olduğu görülmüştür. Düşük frekans aralığı için elde edilen analiz sonuçları manyetik alan etkisiye ilgili benzer deneysel çalışmalar için güvenilir veri sağlayabilmektedir. Önceden yapılmış literatür çalışmaları çubuk teorisini güvenilir bir şekilde kullanmak için dalga boyunun çubuk çapının yaklaşık 5 ila 10 katından daha büyük olması gerektiğini göstermektedir. Bilindiği gibi, Love çubuk teorisi, nispeten yüksek frekans aralığında doğru tahmin vermez; çünkü kesit çarpıklığını hesaba katmaz. Bu nedenle burada sunulan analiz sonuçlarının yüksek frekans değerlerinde yeterince güvenilirliğe sahip olmadığı ve yeterli deneysel çalışma verisi olmadığından doğrulanamadığı belirtilmelidir. Sonuçlar dar bir aralıkta geçerlidir. Çok daha geniş frekans aralıkları için uzun sınırsız çubuklar için doğru olan Pochhammer-Chree denklemi, yüksek frekans aralığında, bu çalışmada kullanılan Love teorisine göre daha iyi tahmin verecektir. Bununla birlikte, Pochhammer-Chree denkleminin doğrudan bir çözüm getirmediğini, çok pratik olmadığını, sıkıcı ve zahmetli olduğunu belirtmek gerekir.