Failure criteria for functionally graded materials and application of GTN model using finite elements

Abstract

Özellikleri fonksiyonel olarak değişen malzemeler (FGMs) bir noktadan diğer bir noktaya özellikleri sürekli değişim gösteren özel amaçlı kompozitlerdir. Bu tezde, laboratuvar ölçekli FGM'lerin hasarı Gurson - Tvergaard - Needleman (GTN) modeli kullanılarak modellenmiştir.Özellikleri fonksiyonel olarak değişen malzemelerin hasar modellemesinde kullanılan gerilim, enerji, gerinim esaslı modeller (örneğin, MTS, G, S kriterleri) ve kohezif bölge modeli gözden geçirilmiştir. Orjinal olarak homojen malzemelerin hasarı için kullanılan GTN modeli detaylı bir şekilde çalışılmıştir. Homojen olmayan malzemeler için kapalı form GTN akma fonksiyonu elde edilmesi çok güç olduğundan, GTN modelinin nümerik olarak hesaplanmasına karar verilmiş ve sayısal analizlerde Abaqus kullanılmıştır. Abaqus ile elde edilen sonuçların doğruluğu literatürdeki bir problemin sonuçları ile karşılaştırılarak sınanmıştır.GTN modelinin nümerik olarak uygulanması ile iki farklı tip FGM numunesinin hasarı çalışılmıştır. Bu numunelerden bir tanesi titanyum monoborit/titanyum (TiB / Ti) tek kenar çentikli eğilme numunesi, diğeri ise aşamalı olarak morötesi ışınımına maruz kalmış polietilen karbonmonoksit (ECO) kopolimer tek kenar çentikli çekme numunesidir. GTN modelinin uygun model parametrelerinin seçilmesi ile FGM'lerin hasar simülasyonlarında başarılı olduğu sonucuna varılmıştır.

Functionally Graded Materials (FGMs) are special composites with a point to point continuous property variation. In this thesis, failure of laboratory scale FGMs is modeled using Gurson - Tvergaard - Needleman (GTN) model.Stress, energy, strain based (e.g. MTS, G, S criteria) and cohesive zone models that are used for failure modeling of FGMs are reviewed. GTN model originally used for failure of homogeneous materials is studied in detail. Because it is extremely difficult, if not possible, to obtain a closed form GTN yield function for a non homogeneous material, numerical implementation of GTN model is considered, and Abaqus is used for computational analyses. The validity of results are first checked by resolving a problem from literature using Abaqus.GTN model is numerically implemented to two different FGM specimens to study and predict failure. One of the FGM specimens is titanium monoboride / titanium (TiB / Ti) single edge notched bending (SENB) specimen, and the other one is a gradually ultraviolet irradiated polyethylene carbon monoxide (ECO) co-polymer single edge notched tension (SENT) specimen. It is concluded that GTN model is promising for failure simulations of FGMs with a proper selection of model parameters.