A numerical study on the impact behavior of thermoplastic plates

Bu tez kapsamında, sabit bir hıza sahip olan vurucu cismin, polikarbonat ve akrilikten yapılmış levhalara çarptırılarak; levhaların dinamik yükler altındaki davranışı incelenmek istenmiştir. Bu darbe yükü altındaki levhaların davranışları, farklı kalınlıkta ve değişen darbe yerlerine bağlı olarak incelenmiştir. Levha kalınlıkları 1.4, 1.9 ve 2.4 mm olarak seçilmiştir. Ayrıca darbe yerleri levhanın merkezinden başlayarak 20 mm aralıklarla dış kenara doğru yapılmıştır. Yani vurucu cisim levhanın merkezine, merkezden 20 mm mesafeye ve aynı şekilde 40 mm merkezden uzaklığa olmak üzere darbe analizi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, farklı kalınlıklardaki levhalarda ve farklı darbe noktalarındaki davranışlar birbirleriyle kıyaslanmıştır. Vurucu eleman olarak 7850 kg/m3 yoğunluğa sahip olan çelik bilye kullanılmıştır ve bu malzemenin özellikleri Ansys kütüphanesinden alınmıştır. Analize başlamadan önce, ilk olarak polikarbonat ve PMMA malzemeleri ile yapılmış olan darbe çalışmaları incelenmiştir ve bu yönde malzemeleri modelleyip çalışma yapılmıştır. Bu çarpışma çalışması için "Lagrange" methodunu kullanarak analiz yapılması uygun görülmüştür. Ayrıca sünek malzemeler için daha çok kullanılan von Mises akma kriterine gore polikarbonat modellenmiştir. Fakat PMMA sünek deformasyonun yanı sıra oda koşullarında gevrek kopma gibi bir özellik gösterdiğinden Ansys kütüphanesinde malzemenin failure kriterlerini atarken bu gevreklik özelliğine uyum gösteren 'the Drucker – Prager' malzeme modeli seçilmiştir. Polikarbonat ve PMMA hem elastik hem de plastik davranış gösteren malzeme tipleridir. Ancak bu özelliklerinin dışında ayrıca viskoelastik özelliğe de sahiptirler. Deneysel yapılan çalışmalarda anlaşılmış ki yüksek gerinim oranlarında malzemenin mukavemeti sonsuz biçimde artma göstermez. Bu sebepten ötürü, viskoz özellik ihmal edilirken yüksek gerinim oranlarında makul bir seçim yapılarak malzemenin sünekliliğini koruyaracak şekilde plastisite ve diğer failure kriterleri atanmıştır. Bu yüzden polikarbonat ve PMMA gibi polimerler bilgisayar üzerinde analiz programı kullanırken, örneğin Abaqus, Autodyn gibi, yalnızca elasto-plastik davranışlarına bağlı olarak malzeme modellemesi yapıldığı literatürde görülmüştür. Aynı şekilde bu çalışmada da viskoz özellik ihmal edilmiştir. Polikarbonat ve PMMA'dan yapılmış levhalar 90x90 mm boyutlarında kare plaka olarak tasarlanmıştır. Farklı kalınlıklarda üretilmiş bu levhalara çelik bilye 140 m/s hızla fırlatılmıştır. Polikarbonat ve PMMA malzemelerinden yapılmış olan tüm farklı kalınlıktaki levhalarda ve aynı zamanda üç farklı darbe noktasında yalnızca 140 m/s hızında çelik bilye fırlatılmıştır. Yani bu hız değeri tüm analizlerde sabit kalmıştır. Darbe noktaları levhanın merkezi, 20 ve 40 mm merkezden uzaklıkta olacak şekilde ayarlanmıştır. Kullanılan levhalar dört kenardan ankastre olarak mesnetlenmiştir. Fırlatılan çelik bilyenin çapı 6.98 mm kadardır. Çeliğin yoğunluk değerinden faydalanılarak kütlesi 0.00139 kg olarak bulunmuştur. Bu bilgiler ışığında cismimizin kinetik enerjisi 13.693 joule olarak hesaplanmıştır. Yerçekimi dikkate alınmadığından, levhalarla ve çarpan çelik bilye arasındaki ilk mesafe sonuca etki etmeyeceği düşünülmüştür. Malzeme özellikleri atanırken polikarbonat için "Bilinear Kinematic Hardening" plastisite özelliği seçilmiştir. Buna ilaveten polikarbonat sünek bir malzeme olduğundan dolayı failure kriteri olarak "plastic strain failure" seçilmiştir. PMMA malzemesini modellerken ise, bu malzeme oda koşullarında gevrek kopma ve sünek deformasyon gösterdiği için iki farklı failure kriteri kombin yapılarak modellenmiştir. Bu kriterler "tensile failure" ve "ductile failure" şeklindedir. Bu tez çalışmasında, maksimum von Mises gerilimi, soğurulan enerji, maksimum deformasyon, maksimum plastik gerinim ve maksimum shear gerilmeleri bulunmuştur. Daha sonra bu sonuçlar farklı kalınlıklarda ve değişen darbe yerlerinde birbiriyle kıyas edilmiştir. Hem polikarbonat hem de PMMA malzemelerinden yapılmış levhalarda, levha kalınlığı arttıkça beklenildiği üzere soğurulan enerjinin de arttığı görülmüştür. 1.9 ve 2.4 mm kalınlıktaki polikarbonat levhalarda parçalanmanın görülmediği, yalnızca plastik deformasyonun meydana geldiği ancak PMMA ile yapılan çalışmalarda tüm kalınlıklarda çelik bilyenin levhayı parçalayıp geçtiği görüldü. Bu sonuç beklenen bir durumdu çünkü PMMA'nın darbe dayanımı polikarbonata göre daha düşüktür. Bu yüzden polikarbonat levhaların birçoğunda parçalanmanın meydana gelmemesi daha muhtemeldir. Aynı şekilde birçok farklı kalınlıktaki polikarbonat levhaların hemen hemen hiçbirinde parçalanma olayı meydana gelmediği analizler sonucunda kolaylıkla görülmüştür. Bu yüzdendir ki soğurulan enerji tüm kalınlıklarda polikarbonat levhalarda daha yüksek mertebelerdedir. Bu durumdan da anlaşılıyor ki, PMMA levhalarda kinetik enerji iç enerjiye tam olarak dönüşmemiş olduğu anlaşılmıştır. Bu yüzden de parçalanma olayı meydana gelmektedir. Bunun haricinde her iki malzeme tipindeki levhalarda plastik gerinim değeri levha kalınlığı arttıkça azalmıştır. Bu durum beklenen bir olaydır. Çünkü levhanın kalınlığı arttıkça daha mukavemetli bir hal alacaktır ve deforme olması daha zor olacaktır. Diğer yandan ankastre kenara yaklaştıkça her iki levhada gerilme değerleri yüksek çıkmıştır ki bu da beklenen bir durumdur. Bu çalışmada sonuç olarak, genel olarak farklı kalınlık ve darbe yerlerine bağlı olarak plastik deformasyon ve parçalanma olayları gözlemlenmiştir. Yapılan tüm çalışmalarda gözlemlenildiği üzere polikarbonat malzemesinin PMMA malzemesine göre çok daha yüksek darbe dayanımı olduğu tespit edilmiştir. Aynı şekilde literatürde de yapılmış olan benzer çalışmalarda çıkan sonuçlara paralel sonuçların elde edildiği bulunmuştur. Kullanılmış olan bu iki farklı malzemenin kimyasal yapıları da incelenmiş olup, beklenilen bir sonucun alındığı gözlemlenmiştir. Malzemelerin kimyasal yapıları incelenmiş ve polikarbonat malzemesinin kimyasal bağ yapısı çok daha yüksek mertebede olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlarda yine bu duruma paralel olarak çıkmıştır. Ayrıca tez çalışmasından önce, tez kapsamında kullanılan polikarbonat malzemesi ile yapılmış olan akademik bir çalışmanın doğrulama analizi yapılmıştır. Bu doğrulama çalışması başarıyla yapıldıktan sonra tez çalışmasına geçilmiştir.