ELASTİSİTE TEORİSİ I. Yrd. Doç Dr. Eray Arslan

Transkript

1 ELASTİSİTE TEORİSİ I Yrd. Doç Dr. Eray Arslan

2 Mühendislik Tasarımı Genel Senaryo Analitik çözüm Fiziksel Problem Matematiksel model Diferansiyel Denklem Problem ile ilgili sorular:... Deformasyon ne kadar büyüklükte?... Ne kadar ısı transferi olacak?... Nasıl bir malzeme kullanılacak?... Kaç parçadan oluşacak?... Sayısal çözüm (örnek Sonlu farklar, sonlu elemanlar yöntemi) Kabuller Geometri Kinematik Malzeme yasası Yükleme Sınır Koşulları vs. Bir sistemin içerisindeki herhangi bir noktanın gerçek davranışını temsil eden analitik çözümlere karşılık, sayısal çözümler sadece düğüm noktaları (node) adı verilen belirli noktalarda tam çözümleri yaklaşık olarak temsil eder. Kaynak:

3 Mühendislik Tasarımı Fiziksel Problem Örnek İki civata Uniform kalınlık t Çok kalın çelik kolon Sorular: 1. AA kesitindeki eğilme momenti nedir? 2. Pindeki sehim ne kadardır? 3. AA Kesitindeki gerilme ne kadardır?

4 Mühendislik Tasarımı Fiziksel Problem Matematiksel Model 1: Çubuk Eleman (Mukavemet) AA Kesitinde Moment M WL 27,500 N cm Sehim at load W 1 3 W(L r EI cm N ) 3 W(L r 5 AG 6 N ) Bu model ne kadar güvenilir? Bu model ne kadar verimli?

5 Mühendislik Tasarımı Fiziksel Problem Matematiksel Model 2: Düzlem Gerilme u ve v yer değiştirmelerinin sıfır olduğu alan delik B noktasına uygulanan kuvvet Denge Denklemleri Yüzeyler serbest (B noktası hariç) Sabitlenen bölgede yer değiştirmeler sıfır Gerilme-Şekil değiştirme ilişkisi ve Elastisite temel denklemleri ile daha gerçekçi bir çözüm elde edilir fakat elle çözmek kolay değil! Çözüm aşamasında Sonlu Elemanlar tekniği kullanılabilir: Elastisite Modülü, Poisson Oranı Şekil değiştirme-yer değiştirme ilişkisi

6 Mühendislik Tasarımı Fiziksel Problem Matematiksel Model 2: Düzlem Gerilme Matematiksel Model 2 nin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile çözümü (düzlem gerilme) AA kesitindeki Moment Sehim M 27,500 N cm at cm load W Sonuç: Problem Mukavemet denklemleri ve Elastisite Teorisi yardımlarıyla modellendi. Elastisite denklemleri Sonlu eleman yöntemi ile çözüldü. Mukavemet çözümü: Sonlu Elemanlar Çözümü: M 27,500 N cm at cm load W Mukavemet ve Sonlu eleman çözümlerinde (sehimde) %20 lik bir fark var! Hangi sonuç ne kadar kabul edilebilir? Eğer çubuktaki maksimum gerilmeyi hesap etmek istersek? Hangi model daha kullanışlı?

7 Mühendislik Tasarımı Genel Senaryo Fiziksel Problem Matematiksel Model Tarifinde diferansiyel denklemler kullanılır. Elastisite Teorisi matematiksel Model oluşturmada kullanılır. Sayısal Model Örnek: Sonlu Elemanlar Model

8 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar Elastik Malzeme (Davranış): Yüklemeden sonra orijnal haline dönen malzemeye elastik malzeme ya da malzemenin yüklemeden sonra orijinal haline geri dönme evresine elastik davranış adı verilir. Çekme testi uygulanan sünek mühendislik malzemesinde gerilme-şekil değiştirme eğrisi

9 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar Homojen Malzeme: Mekanik özellikleri her noktada aynı olan malzemelerdir. İzotropik Malzeme: Mekanik özelliklerinin yönden bağımsız olduğu malzemelerdir. Sürekli Malzeme: Cisim her noktasına malzemenin olma şartıdır. Böylece, bu malzemede çok küçük bir eleman alınıp, incelenebilir. Elastisite Teorisi: Deforme olabilen katı cisimlerin ya da yapıların mekanik ve elastik deformasyon analizlerinde kullanılan güvenilir bir teoridir. NOT: Yapı mekaniğinde sıkça kullanılan çelik yukarıdaki çoğu özelliği taşımaz. Mesela gerçekte çelik kristal yapısı nedeniyle, homojen, sürekli ve izotropik olmayabilir. Ancak, deney sonuçları; homojen, sürekli ve izotropik olduğunu varsaydığımız durumlardaki analizler ile çok yakın sonuçlar vermektedir. Bunun temel sebebi, kristallerin boyutlarının çok küçük olmasıdır. 1 inç kare çeliğin içerisinde milyonlarca kristal bulunur.

10 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar - Gerilme Temel olarak cisme etki eden kuvvetler yüzey kuvveti ve gövde kuvveti (body force) olarak ikiye ayrılır. Yüzey kuvveti: Cismin yüzeyine etki eden kuvvetlerdir. Gövde kuvveti: Cismin içine, hacimsel olarak etki eden kuvvetlerdir. Örneğin; yerçekimi, magnetik kuvvet, merkezkaç kuvveti vs. Gerilme: Şekildeki cisim dengededir. Dış kuvvetlerin (yüzey kuvvetleri) etkisiyle, (P 1,... P 7 ), cisimde iç kuvvetler oluşur. Birim yüzeye etkiyen iç kuvvet gerilme olarak adlandırlır. İç kuvvet dağılmıştır da: mm kesitinden alınan çok küçük bir alan da dp: da alanı üzerinde B parçasından A parçasına aktarılan iç kuvvet. Bu denklem gerilmenin şiddetini verir. Gerilmenin yönü, kuvvetin yönü ile aynıdır.

11 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar - Gerilme da alanına dik (normali doğrultusunda) olan gerilme bileşenine Normal Gerilme ( ) adı verilir. Normal gerilmenin işareti Basma yönünde ise negatif, Çekme yönünde ise pozitifdir. da alanına tanjant olan gerilme bileşenine Kayma Gerilmesi ( ) adı verilir. Kayma gerilmesinin işareti: yüzey pozitif ve yön pozitif ise gerilme pozitiftir, yüzey negatif ve yön pozitif ise gerilme negatiftir. Ya da tam tersi... Gerilme 2. dereceden bir tensördür. Gerilme tensörü notasyonu aşağıdaki gibi tespit edilir. Gerilmenin bulunduğu yüzeyin ekseni Gerilmenin yönü Yüzey ve gerilme yönü aynı ise gerilme vektörel olarak ifade edilebilir. Cisim üzerinde çok küçük bir kübik eleman ve pozitif tanımlı gerilmeler 9 bileşen içerir.

12 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar - Gerilme Bu kübik elemandan, çok küçük dx kalınlığında x eksenine dik bir düzlem eleman (yz düzlemi) ele alalım. Bu elemandaki, her yüzeyde gerilmeye sebep olan iç kuvvetlerin C noktasına göre momentlerini (x eksenine paralel moment) inceleyelim: Böylece: Diğer iki düzlemi de (xy ve xz düzlemleri) düşünürsek Böylece, kübik elemandaki gerilme bileşenleri 9 dan 6 ya iner.

13 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar Şekil Değiştirme x,y,z doğrultusundaki küçük ve sürekli yer değiştirme (displacement) vektörlerinin bileşenleri: Boyutları dx, dy ve dz olan şekildeki gibi çok küçük bir eleman düşünelim. Eleman deformasyona uğrayacak ise P noktası ile A noktası arasındaki (x doğrultusunda) toplam yer değiştirme: x doğrultusundaki birim uzama (unit deformation) AP boyunca u daki toplam uzama (total deformation) Benzer şekilde y ve z doğrultularındaki birim uzama (unit deformation) sırasıyla ve. Genel olarak birim elemanda şekil değişikliği 2 şekilde olur: (1) Uzama (eksenel (normal) şekil değiştirme) (2) Dönme (açısal (kayma) şekil değiştirme)

14 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar Şekil Değiştirme

15 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar Şekil Değiştirme Kabuller: 1. u,v ve w cismin toplam boyutuna oranla çok küçük büyüklükler. 2. u,v ve w nin birinci türevleri 1 e göre çok küçük. 3. Dönme açıları çok küçük. Birim Uzama (Elongation) için y yönündeki normal şekil değiştirme x yönündeki birim uzama x yönündeki normal şekil değiştirme z yönündeki normal şekil değiştirme

16 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar Şekil Değiştirme Açısal Değişim için: xy doğrultusundaki kayma şekil değiştirme bileşeni xz doğrultusundaki kayma şekil değiştirme bileşeni yz doğrultusundaki kayma şekil değiştirme bileşeni

17 Elastisite Teorisi Temel Kavramlar Şekil Değiştirme Sonuç: Şekil Değiştirme Bileşenleri (Kartezyen Koordinat Sistemi)