Alshaqaqiq, Abbas (2026) Mixed Mode Fracture of High-Density Polyethylene (HDPE) Samples at Different Strain Rates. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MIXED MODE FRACTURE OF HIGH-DENSITY POLYETHYLENE (HDPE) SAMPLES AT DIFFERENT STRAIN RATES.pdf Restricted to Repository staff only until 8 October 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

يُعدّ البولي إيثيلين عالي الكثافة مادةً واسعة الاستخدام في التطبيقات الإنشائية نظرًا لخواصه الميكانيكية الجيدة في البيئات القاسية. ويؤدي استخدامه في أنابيب البنية التحتية وبطاناتها إلى جعله حساسًا لمعدل الانفعال والعيوب الهندسية مثل الشقوق، والتجاويف. في هذه الدراسة، تم تحليل تأثير معدل الانفعال على عينات من هذه المادة ذات شكل دامبل مع شقوق مائلة. تركز هذه الأطروحة على دراسة سلوك التشوه للبولي إيثيلين عالي الكثافة من الدرجة البحرية باستخدام عينات لها شقوق بأعماق مختلفة وتحت ظروف تحميل مختلط (النمط الأول + النمط الثاني) وبمعدلات انفعال مختلفة. تم إجراء اختبارات شد على عينات قياسية لقياس مقاومة الشد القصوى ومعامل المرونة عند سرعتي تحميل 50 مم/دقيقة و100 مم/دقيقة. لم تُلاحظ أي تغيّرات كبيرة ذات دلالة إحصائية في مقاومة الشد القصوى ومعامل يونغ. كما أُجريت اختبارات الكسر على عينات مشقوقة بزوايا ميل مختلفة (0°، 22.5°، و45°)، حيث أظهرت النتائج أن المادة هي حساسة بشكل كبير لأحمال القص. ومن الملاحظ أن العينات ذات زاوية الشق 45° سجلت أحمالًا قصوى أعلى وسلوكًا أقل مطيلية، مما يدل على انتقال السلوك من هيمنة الشد إلى هيمنة القص. ولتحليل سلوك الكسر بشكل أعمق، تم استخدام كل من نظرية المسافات الحرجة (TCD) ومنهجية كثافة طاقة الانفعال (SED). وقد أظهرت نتائج TCD دقة أفضل في التنبؤ بالكسر، حيث تراوحت نسبة الخطأ بين 6.72% و18.09%، مقارنةً بطريقة SED التي وصلت نسبة الخطأ فيها إلى 25.96%. كما أظهرت صور SED المستخرجة من برنامج ANSYS أن هذا الانحراف يعود بشكل رئيسي إلى التوزيع الموضعي الشديد للإجهاد حول رأس الشق، مما يؤدي إلى عدم تجانس توزيع الطاقة عند أعماق الشق الكبيرة، وهو ما لا يتم تمثيله بشكل كامل ضمن فرضية حجم التحكم.

English Abstract

High-density polyethylene (HDPE) is an extremely tradeable material used in structural applications due to its good mechanical behavior in harsh environments. Its application in infrastructural pipes and linings makes it sensitive to strain rate and geometric cavities. In this study, the strain rate effects on inclined notched dumbbell-shaped HDPE specimens are studied. This thesis studies the deformation of marine-grade high-density polyethylene (HDPE) using U-notch geometries with different depths and under mixed-mode (I+II) conditions at different strain rates. Tensile tests were performed on standard dumbbell samples to measure the ultimate tensile strength and modulus of elasticity at 50 mm/min and 100 mm/min. No statistically significant changes in the ultimate tensile strength and Young’s modulus were observed between the two strain rates. Fracture tests of notched samples were conducted using different inclination angles (0°, 22.5°, and 45°). The results showed that HDPE is highly sensitive to shear loadings. Remarkably, higher maximum loads and lower ductility behavior were recorded in specimens with a notch orientation of 45°, demonstrating a transition from tension-dominated to shear-dominated behavior. For further interpretation of the fracture behavior, the theory of critical distances (TCD) and strain energy density (SED) approaches were adopted. TCD provided a better fracture estimation with an error of 6.72% to 18.09% in comparison with an error reaching 25.96% for SED estimates. SED images captured from Ansys revealed that this deviation is mainly related to the highly localized stress distribution around the notch tip leading to a non-uniformity of the energy distribution at higher notch depths, which was not fully derived from the control volume assumption.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Jafar Al-Bin-Mousa,
Thesis Committee Members:	Necar Merah, Abduljabar Al-Sayoud,
Depositing User:	ABBAS ALSHAQAQIQ
Date Deposited:	11 Oct 2026 05:31
Last Modified:	11 Oct 2026 05:31
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144778