CTST (compact tension shearing and tearing)

Karışık mod-I/II/III yükleme durumunun doğru ve bilinçli değerlendirilmesi ve çatlak ilerleme test sonuçlarının mod-I/III test sonuçları (kopma yükleri, kırılma yüzeyleri vb.) ile birlikte değerlendirilerek gerçekleştirilen testlerin şu ana kadar yapılan testlerle tutarlı olması amacıyla, mod-I/II/III testlerinde mod-I/III testlerinde kullanılan numunenin aynısının kullanılmasına karar verilmiştir. Mod-I/III çatlak ilerleme testlerinde kullanılan CTT numensine uygun olarak farklı CTST tutucu konfigürasyonları tasarlanmış ve farklı yükleme açıları için önce gerilme ve kırılma analizleri gerçekleştirilerek optimum tutucu tasarımı hedeflenmiştir.

Tasarım çalışmalarında ilk olarak T-numunesi için tasarlanan mod-I/II/III tutucusuna benzer şekilde CTST numunesine uygun bir mod-I/II/III tutucusu tasarlanmıştır (Şekil 2.85). Tutucunun mod-I/II yüklemesi ile birlikte mod-III yüklemesi de yapabilmesi için düşey eksen etrafında açılı dönmeyi sağlayabilecek ve tutucuya cıvatalar ile monte edilebilecek şekilde ayrı bir aparat düşünülmüştür. Şekil 2.86.'da uygulanabilecek yükleme açıları görsel olarak verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi her iki eksen etrafında 15'er derecelik aralıklarla yükleme uygulanacak şekilde tutucu tasarımı gerçekleştirilmiştir. Ayrıca mod-I/II ve mod-I/III yükleme durumunun her ikisi de mod-I tutucusunun karışık mod (mixed-mode) tutucusunun yükleme deliklerine açılı olarak yüklenmesi ile oluşturulduğu için, bu yükleme durumlarının açı değerleri tüm mod-I/II/III analizlerinde birbirine eşit olmaktadır.

93

(a)

(b)

Şekil 2.86. 15 derecelik aralıklarla uygulanabilen yükleme tiplerinin gösterimi, (a) mod-I/II, (b) mod-I/III, (c) mod-II/III yükleme durumları.

(c)

Şekil 2.86. 15 derecelik aralıklarla uygulanabilen yükleme tiplerinin gösterimi, (a) mod-I/II, (b) mod-I/III, (c) mod-II/III yükleme durumları. (Devamı)

Tasarlanan tutucu ve aparatların uygunluğunun kontrol edilmesi için farklı yükleme açılarında gerilme ve kırılma analizleri gerçekleştirilerek cıvata, pim, tutucu ve aparatlardaki kritik bölgeler tespit edilmeye çalışılmıştır. Herhangi bir yükleme açısında kırılma modlarının birbirlerine göre etkinliğinin kıyaslanması amacıyla özel bir yöntem kullanılmış ve aşağıda bazı yükleme durumları için verilen örneklerle kısaca açıklanmıştır.

Şekil 2.87.'de, mod-I/II-90°, mod-I/III-90° ve mod-II/III-15° yükleme durumu verilmiştir.

Şekil 2.87. Mod-I/II-90°, mod-I/III-90° ve mod-II/III-15° yükleme durumu ve bunun etkisinde oluşacak kırılma modlarının birbirlerine göre etkinliği.

Şeklin sağ tarafında verilen tabloda da görüldüğü gibi üç boyutlu yükleme durumu mod-I/II, mod-II/III ve mod-I/III yüklemesi olarak ayrı ayrı ele alınarak incelenmekte ve yükleme tipleri bileşenlerine ayrılmaktadır. Daha sonra aynı türdeki modların katsayı değerleri birbiri ile çarpılarak kırılma modlarının birbirlerine göre

95

etkinliğini temsil eden katsayılar elde edilmektedir. Bu katsayılar modların gerçek değerleri olmayıp sadece modlar arasında kıyaslama yapmak için kullanılmaktadır. Örnekte verilen yükleme durumu için I yükleme tipinin oluşmayacağı ve mod-II yükleme tipinin mod-mod-III yükleme tipine göre çok daha baskın olacağı tabloda görülmektedir. Şekil 2.88.'de ise, mod-I/II-45°, mod-I/III-45° ve mod-II/III-45° yükleme durumu verilmiştir. Şekilde yer alan tabloda görüldüğü gibi bu yükleme durumu için her üç kırılma modunun da mevcut ve eşit oranda olacağı görülmektedir.

Şekil 2.88. Mod-I/II-45°, mod-I/III-45° ve mod-II/III-45° yükleme durumu ve bunun etkisinde oluşacak kırılma modlarının birbirlerine göre etkinliği.

Mevcut tutucu için belirlenen kritik yükleme açılarında gerçekleştirilen gerilme ve kırılma analizleri sonucunda tutucu tasarımında değişiklik yapılmasına karar verilmiştir. Bölümün başında bahsedildiği gibi, karışık mod-I/II/III yükleme durumunda hem Poisson oranı etkisi nedeniyle hem de mod-III yüklemesi nedeniyle çatlak ucu boyunca her noktada farklı Kııı GŞF değerleri elde edilmektedir. Test konfigürasyonunun analizinden elde edilen GŞF değerleri ve bu değerlere bağlı olarak hesaplanan eş değer GŞF değerleri, kopma yükü ve çatlak ilerleme açı ve profilinin tahmininde kritik öneme sahip olduğu için, deneylerde kullanılan numune kadar, tutucu ve test konfigürasyonu da büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle çift kulaklı olarak tasarlanan tutucuda değişikliğe gidilerek numune ile kulak arasında tam bir temas sağlanarak istenen mod-III yüklemesinin numuneye tam olarak verilmesi için tutucu tek kulak olarak tasarlanmıştır. Çift kulaklı olarak üretilecek tutucuda, numunenin kulakların arasına rahat girebilmesi için belirli bir tolerans verilerek üretilmesi gerektiği için, test esnasında numune ve kulaklar arasındaki bir

miktar boşluktan ve mod-I yüklemesinden dolayı mod-III yüklemesi numuneye tam olarak iletilmeyecektir. Bu durum, simülasyon sonuçları ile deney sonuçları arasında tutarsızlıklara neden olacaktır.

Numunenin tutucu kulağının yüzeyine 4 adet cıvata ile tutturulması sağlanmış ve mod-III yükü, tutucu kulağından numuneye iletilecek şekilde tutucu tasarlanmıştır. Böylece cıvatalar mod-III yükünden dolayı çekme yüküne maruz kalmamakta, sadece mod-I ve mod-II yüklemesinin etkisinde kesme yüküne maruz kalmaktadır. Farklı yükleme açıları için gerçekleştirilen bir önceki gerilme analiz sonuçlarına göre mod-I/II yükleme açısının verildiği tutucunun boyutu ve kalınlığı bir miktar daha artırılmıştır. Yeniden tasarlanan tutucu için de yukarıda gösterilen yükleme açılarında gerilme ve kırılma analizleri gerçekleştirilmiş ancak aşağıda sadece mod-I/II=45°, mod-II/III=45° ve mod-I/III=45° yükleme açısının sonuçları temsili olarak verilmiştir. Ayrıca şu ana kadar sonuçları gösterilen analizlerde, analizlerin daha kısa sürmesi için tutucuda bulunan cıvatalar kaldırılarak (böylece toplam eleman sayısı ciddi derecede azalmaktadır) tutucu yekpare olarak modellenmiştir. Cıvatalı ve cıvatasız modellerden elde edilen sonuçlar birbirine çok yakın olduğu için cıvatasız model tercih edilmiştir. Aşağıda mod-I/II=45°, mod-II/III=45° ve mod-I/III=45° yükleme durumunda cıvatalı ve cıvatasız tek kulaklı model kullanılarak gerçekleştirilen gerilme ve kırılma analizlerinin sonuçları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Şekil 2.89. ve Şekil 2.90.'da, cıvatalı ve cıvatasız konfigürasyonlarda ve pimlerde oluşan gerilme dağılımları sırasıyla verilmiştir. Her iki konfigürasyon için de benzer gerilme dağılımlarının oluştuğu gözlemlenmektedir.

97

Şekil 2.89. Mod-I/II=45°, mod-II/III=45°, mod-I/III=45°, 10 kN yükleme durumunda cıvatalı ve cıvatasız konfigürasyonlarda oluşan gerilme dağılımları.

Şekil 2.90. Mod-I/II=45°, mod-II/III=45°, mod-I/III=45°, 10 kN yükleme durumunda pim ve cıvatalarda oluşan gerilme dağılımları.

Şekil 2.91.'de tutucularda oluşan gerilme dağılımları verilmiştir. Her iki tutucunun da kulak kısımlarında yüksek derecede gerilme değerleri (yaklaşık 400 MPa) gözlemlenmektedir. Bu yüzden tutucunun kulak kısmı için tasarımda iyileştirmelerin

yapılması gerekmektedir. Şekil 2.92.'de ise tutucuda kullanılan cıvatalarda oluşan gerilme dağılımları verilmiştir.

Şekil 2.91. Mod-I/II=45°, mod-II/III=45°, mod-I/III=45°, 10 kN yükleme durumunda tutucularda oluşan gerilme dağılımları.

Şekil 2.92. Mod-I/II=45°, mod-II/III=45°, mod-I/III=45°, 10 kN yükleme durumunda tutucu cıvatalarında oluşan gerilme dağılımları.

99

Her iki model için çatlak ucu boyunca elde edilen GŞF değerleri Şekil 2.93.'te verilmiştir. Elde edilen Kı, Kıı ve Kııı değerleri arasındaki farkların %1 mertebelerinde olduğu görüldüğü için, bundan sonra gerçekleştirilen mod-I/II/III analizlerinde tutucular ile numune arasındaki bağlantıyı sağlayan cıvatalar hariç diğer cıvatalar kaldırılarak, tutucular yekpare olarak modellenmiştir. Şekilde görüldüğü gibi Kııı GŞF değeri çatlak ucu boyunca simetrik olmayan bir dağılım sergilemektedir. Ayrıca, beklendiği üzere, Kıı GŞF değeri de mod-I/III analiz sonuçlarında olduğu gibi çatlak ucu merkezinde sıfır değerini almamaktadır. Mod-I/III analizlerinde, mod-III yüklemesinden dolayı oluşan eğilme etkisi (bending effect) nedeniyle, çatlak ucunun bir kenarı bası yüküne diğer kenarı ise çeki yüküne maruz kaldığı için, yükleme eksenine bağlı olarak negatiften pozitife veya pozitiften negatife lineer olarak değişen ve çatlak ucu merkezinde sıfır değerini alan bir Kıı eğilimi çatlak ucu boyunca görülmektedir. Mod-I/II/III analizlerinde ise hem mod-III yüklemesinden, hem de mod-I/II/III yüklemesinden gelen mod-II etkisinden dolayı Kıı GŞF değerleri, yine yükleme eksenine bağlı olarak negatiften pozitife veya pozitiften negatife lineer olarak değişen bir davranış sergilemekte, ancak çatlak ucu merkezinde sıfır değerini almamaktadır.

Şekil 2.93. Mod-I/II=45°, mod-II/III=45°, mod-I/III=45°, 10 kN yükleme durumunda çatlak ucu boyunca hesaplanan GŞF değerleri.

2.5.2. Mod-I/II/III CTST (compact tension shearing and tearing) numunesi