Plastik boru üretiminde kullanılan polietilen malzemenin statik - dinamik davranışlarının analizi ve viskoelastik modellenmesi

Abstract

Plastik boru üretimi ve kullanımı, plastik malzemelerinde ve üretim teknolojilerinde meydana gelen gelişmelerle birlikte giderek yaygınlaşmaktadır. Buna bağlı olarak mühendislik problemleri açısından plastik boruların önemi de artmaktadır. Plastik borular kullanım alanlarına göre statik ve dinamik yüklemelere maruz kalabilirler. Bu yükleme durumlarında boruların göstereceği davranışlar boru malzemesinin göstereceği davranışlara bağımlıdır. Plastik malzemeler genelde viskoelastik özelliklere sahip oldukları için fiziksel özelliklerinde zamanla değişimler meydana gelir. Bu değişimlerin matematik modelinin oluşturulması değişik yükleme durumlarında boru davranışlarının belirlenebilmesi için önemlidir. Yapılan literatür araştırmasında bu konudaki çalışmaların yetersiz olduğu görülmüştür. Uygulamaya yönelik bir çalışma yapabilmek için plastik boru üretiminde yaygın olarak kullanılan ve viskoelastik özelliklere sahip HDPE malzemenin statik ve dinamik yük durumları için malzeme davranışlarının matematik modellenmesi amaçlanmıştır. HDPE'nin fiziksel özelliklerinin zamana bağlı değişiminin matematik modelinin oluşturulabilmesi için öncelikle modellemeye esas oluşturan yaklaşımlardan bahsedilmiştir. Her modelin farklı bir karakteri vardır. HDPE'nin karakterinin hangi modele benzerlik gösterdiğini tespit edebilmek için deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada sabit gerilme altında zamana bağlı oluşan şekil değiştirmeler önemli olduğu için hazırlanan numuneler üzerinde sünme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Sünme deneylerini gerçekleştirebilmek için çekme deneylerinde kullanılan cihaz üzerinde bazı düzenlemeler yapılmış ve dört farklı gerilme durumu için deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlara göre malzemenin lineer viskoelastik davranışlar gösterdiği bölge tespit edilmiş ve bu bölgedeki davranışlarının Burgers modeli ile benzerlik gösterdiği anlaşılmıştır. Burgers modelindeki malzemeye ait sabitler, deneysel veriler yardımıyla analitik olarak hesaplanmıştır. Sünme deneyleri bilgisayar ortamında nümerik olarak sonlu eleman analiz programı ANSYS yardımıyla da teyit edilmiştir. Deney numunesinin sonlu eleman modeli sınır şartlarını da içerecek şekilde programlanmıştır. ANSYS ile sünme analizinin yapılabilmesi için programa girilmesi gerekli HDPE 'ne ait sabitler, deney verileri yardımıyla hesaplanmış ve bu değerlere bağlı olarak analiz gerçekleştirilmiştir. Plastik boruların dinamik davranışlarının incelenmesi oldukça önemli ve güncel bir konudur. Dinamik model oluşturulmadan önce yine HDPE'nin dinamik yükleme durumlanndaki davranışları deneysel olarak incelenmiştir. Hazırlanan deney numuneleri üzerinde karesel ve sinüzoidal gerilme oluşturan iki farklı deney düzeneği tasarlanmıştır. Deney düzenekleri statik deneylerin gerçekleştirildiği cihaza monte edilmiştir. Farklı gerilme durumları için dinamik yüklemeli deneyler gerçekleştirilmiş ve deneysel veriler elde edilmiştir. Karesel ve sinüzoidal yükleme durumları için dinamik modelin kurulmasında öncelikle, statik durumlar için oluşturulan Burgers modelinin genel bünye denklemi elde edilmiştir. Bu denklemdeki diferansiyel denklemin çözülmesinde MATLAB programının altında çalışan SIMULINK programı kullanılmıştır. Matematik model blok diyagramı şeklinde oluşturulmuş ve istenilen parametrelerdeki değişikliklerin etkisi kolayca görülmüştür. Her iki yük durumu için deneysel, nümerik ve analitik sonuçlar karşılaştırıldığında sonuçların birbiriyle genelde uyumlu olduğu görülmüştür. Burgers modeli, plastik borularda yaygın olarak kullanılan HDPE'nin, fiziksel özelliklerinin zamanla değişiminin modelleme yaklaşımında kullanılması hem statik hem de dinamik durumlar için doğru sayılabilecek sonuçlar vermiştir.