Güçlendirilmiş Polimer Kompozitlerin Deneysel ve Sayısal Analizleri

Abstract

Taze hurda Düşük Yoğunluklu Polietilen (LDPE) ve Poliüretan (PU) esaslı kompozitler, taze hurda kauçuk ve kısa karbon ve cam elyaf takviyeleri ile tasarlanmış olup, bu malzemelerin sertleşme mekanizmaları, mekanik ve fiziksel özellikleri ile mikroyapısal ve kırılma yüzeyi analizi açısından detaylı olarak araştırılmaktadır. Bu kompozitlerin mekanik özellikleri, temel malzeme karakteristikleri hakkında kritik bilgiler toplamak için kapsamlı bir şekilde incelenmektedir. Matris içindeki takviyelerin hacim yüzdesinin belirlenmesinden sonra, takviyelerin sertleşme mekanizmaları üzerindeki etkilerine odaklanılmaktadır; karbon ve cam elyaf takviyeleri kompozitlerin çok işlevselliklerini artırmak için kullanılmaktadır. Genel karakterizasyonların ardından ek testler ve ölçümler yapılmaktadır. Test sonuçları daha sonra ABAQUS/Standard ile sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanılarak sayısal olarak yeniden üretilmektedir. Simülasyonlar, farklı boyutlardaki makroyapılar üzerinde farklı rastgele içeriklerle gerçekleştirilerek sayısal sonuçların tutarlılığı doğrulanmaktadır. Rastgele dağılmış içerikler içeren temsilci hacim elemanları (RVE'ler), homojenleştirme için kullanılmakta ve heterojen kompoziti homojen bir malzeme olarak yaklaşık olarak temsil etmek için periyodik sınır koşulları (PBC'ler) kullanılmaktadır. Heterojen kompozitin gerilme-şekil değiştirme tepkisi, temsili hacim elemanları üzerinde ortalama gerilme ve şekil değiştirme tensörleri değerlendirilerek karakterize edilmektedir. Ayrıca, malzeme modeli, örtük doğrusal olmayan sonlu eleman hesaplamaları için bir kullanıcı altrutini (UMAT) olarak uygulanmaktadır. Sayısal sonuçların deneysel sonuçlarla karşılaştırmalı analizi, simülasyon yaklaşımının güvenilirliğini ve doğruluğunu doğrulamaktadır.

Fresh scrap Low Density Polyethylene (LDPE) and Polyurethane (PU) based composites, designed with fresh scrap rubber and short carbon and glass fiber reinforcements, are thoroughly investigated regarding toughening mechanisms, mechanical and physical properties, and microstructural and fracture surface analysis. The mechanical properties of these composites are thoroughly examined to collect crucial information on fundamental material characteristics. After determining the volume percent of inclusions in the matrix, the focus shifts to the effects of the reinforcements on toughening mechanisms, with carbon and glass fibers employed to enhance the multifunctionality of the composites. Following general characterizations, additional tests and measurements are conducted. The test results are then numerically reproduced using finite element analysis (FEA) with ABAQUS/Standard. Simulations are executed with varied randomizations of inclusions across differently sized macrostructures to confirm the consistency of numerical outcomes. Representative volume elements (RVEs) featuring randomly dispersed inclusions are employed for homogenization, utilizing periodic boundary conditions (PBCs) to approximate the heterogeneous composite as a homogeneous material equivalent. The stress-strain response of the heterogeneous composite is characterized by assessing average stress and strain tensors over integration volume elements. Furthermore, a material model is implemented as a user subroutine (UMAT) for conducting implicit nonlinear finite element calculations. Comparative analysis of numerical outcomes with experimental results verifies the reliability and accuracy of the simulation approach.