ncode designlife programi İle yorulma analİzİ
TRANSCRIPT
TC.
TRAKYA ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK MİMARLIK FAKÜLTESİ
MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
PROJE 3
METAL MALZEMELERDE YORULMA
ABDULLAH YILDIZ
2090201372
DANIŞMAN YRD.DOÇ.DR.VEDAT TAŞKIN
1
HAZİRAN 2014
EDİRNE
TC.
TRAKYA ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK MİMARLIK FAKÜLTESİ
MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
PROJE 3
METAL MALZEMELERDE YORULMA
ABDULLAH YILDIZ
2090201372
DANIŞMAN YRD.DOÇ.DR.VEDAT TAŞKIN
2
HAZİRAN 2014
EDİRNE
ÖZET
Tekrarlı gerilmeler altında çalışan metalik parçalarda,
gerilmeler parçanın statik dayanımından küçük olmalarına
rağmen, belirli bir tekrarlanma sayısı sonunda genellikle
yüzeyde bir çatlama ve bunu takiben kopmasına neden
olurlar. Yapı parçalarının yorulma dayanımını etkileyen pek
çok parametre vardır. Bunlar, gerilme (yük), parçanın
geometrisi ve özellikleri ve dış çevreyle ilgili
parametrelerdir.
Malzemelerin ömürleri hakkında bilgi sahibi olabilmek için
çeşitli deneyler ve deney düzenekleri vardır. Ancak yapılan
bu deneyler ve düzenekleri çoğu zaman ekonomiklikten
uzaktır, ergonomik değildir yani deneyin yapıldığı durumdan
biraz farklı bir durum için tekrar deney yapmamız
gerekebilir ya da kıyas edilerek ile tahmin yöntemi
düşünülebilir ki bu da mühendisliğin ilgi alanı dışındadır.
Bu deneyleri ve çeşitli başka analizleri yapmak için sonlu
elemanlar metodunu kendisine ilke edinmiş yazılımlar
mevcuttur. Bu yazılımla gerçek ortam şartları altında
gerçek analizleri uygulamak mümkündür. Üstelik bütün
3
deneyler için tek düzeneğiniz bilgisayarınız olacaktır.
Yani mühendisliğin aradığı iki temel ilke olan ekonomiklik
ve ergonomiklik bu şekilde sağlanmış olur.
4
5
ÖNSÖZ
Sürekli artan bilimin yanında buna paralel olarak gelişen
teknolojinin de insanoğluna sunduğu imkanlar her geçen gün
artmaktadır. Bu imkanlardan bir tanesi de yazılım ve
mühendislik alanlarında kendisine yer bulan analiz amaçlı
bilgisayar programlarıdır. Mühendisler bu gün eskiye
nazaran çok daha kolay ve hızlı bir biçimde tasarım ve
uygulamaya dair hesaplarını bu programlar sayesinde
yapabilmektedir.
Bu amaçlar ile beni bu projeyi hazırlamaya teşvik eden
değerli hocam Yrd.Doç.Dr.Vedat Taşkın’a teşekkürü bir borç
bilirim.
6
İÇİNDEKİLERÖZET...............................................................3
SUMMARY............................................................4ÖNSÖZ..............................................................5
İÇİNDEKİLER........................................................61.METAL MALZEMELERDE YORULMA.......................................8
1.1 ÇATLAK OLUŞUMU...............................................91.2 ÖMÜR HESAPLAMA YÖNETMLERİ....................................9
1.3 GERİLME ÖMÜR EĞRİLERİ.......................................101.4 YORULMA DAYANIMINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER....................11
7
1.5 YÜKLEME DURUMLARI...........................................13
1.6 ORTALAMA GERİLME EĞRİLERİ...................................141.7 SONLU ELEMANLAR YAZILIMLARI İLE YORULMA ANALİZİ.............15
2. ÖRNEK ÇALIŞMA..................................................172.1 SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE YORULMA ANALİZİ.................21
2.1.1 ANSYS WORKBENCH İLE STATİK ANALİZ........................212.1.1.1 Mazleme Özelliklerinin Belirtilmesi..................22
2.1.1.2 Geometri.............................................232.1.1.3 Sonlu Eleman Ağı Oluşturulması.......................26
2.1.1.4 Sınır Şartları ve Yüklerin Girilmesi.................272.1.1.5 : Çözüm ve Sonuçlar..................................29
2.1.2 nCode DesigneLife İLE YORULMA ANALİZİ..................322.1.2.1 Sonlu Eleman Modelinin Eklenmesi.....................33
2.1.2.2 Malzeme Özelliklerinin Girilmesi.....................352.1.2.3 Yükleme Koşullarının Belirtilmesi....................37
2.1.2.4 Çözüm ve Sonuçlar....................................383. SONUÇ..........................................................43
KAYNAKÇA..........................................................44
ŞEKİLLER DİZİNİŞekil 1: Yorulma hasarına maruz kalmış bir parça...................8Şekil 1.3.1: Wöhler Eğrisi........................................10Şekil 1.3.2 : Yaklaşık Wöhler Diyagramı...........................11Şekil 1.4.1 : Yükleme Çeşitleri...................................13Şekil 1.6.1 : Sürekli mukavemet diyagramları......................14Şekil 2.1 : nCode DesigneLife programı görüntüsü..................15Şekil2.2 :nCode DesigneLife işlem şeması..........................16Şekil 2.1 :Malzemenin Soderberg Diyagramı.........................18
8
Şekil 2.2 :Yükleme koşullarının Soderberg diyagramı üzerinde gösterilişi.......................................................20Şekil 2.1.1.1 ANSYS Workbench çalışma sayfası.....................21Şekil 2.1.1.1.1 Mazleme kütüphanesi...............................23Şekil 2.1.1.2.1 Designe Modeler programının açılması..............23Şekil 2.1.1.2.2 : Designe Modeler programında çizilen parça.......24Şekil 2.1.1.2.3: Solidwork programında çizilen parça..............24Şekil.2.1.1.2.4: Parçanın farklı formatta kaydedilmesi...........25Şekil 2.1.1.2.5 : Designe Modeler’da import edilmiş parça.........25Şekil 2.1.1.3.1 : Mechanical programının açılması.................26Şekil 2.1.1.3.2 : Sonlu eleman ağının oluşturulması...............26Şekil 2.1.1.3.3 : Parçanın sonlu elemanlara ayrılmış görüntüsü....27Şekil 2.1.1.4.1 : Kuvvet eklenmesi işlemi.........................27Şekil 2.1.1.4.2 : Kuvvete ait özellikler tablosu..................28Şekil 2.1.1.4.3 :Parçanın kuvvet eklenmiş haldeki görüntüsü.......28Şekil 2.1.1.4.4 : Parça üzerine kuvvet eklenmesi..................29Şekil 2.1.1.5.1 : Çözüm seçeneklerinin seçilmesi..................30Şekil 2.1.1.5.2 : VonMisses gerilmeleri sonucu....................30Şekil 2.1.1.5.3 : Maksimum çekme gerilmesi sonucu.................31Şekil 2.1.1.5.4 : Toplam deformasynlar sonucu.....................31Şekil 2.1.2.1 nCode DesigneLife programı çalışma ekranı...........33Şekil 2.1.2.1.1 : Programa FE model’in eklenmesi..................34Şekil 2.1.2.1.2 :Sonlu eleman modeli özellikleri..................34Şekil 2.1.2.1.3 : FE input VonMisses gerilmeleri görüntüsü........35Şekil 2.1.2.2.1 : nCode DesigneLife malzeme özellikleri tablosu. .36Şekil 2.1.2.2.2. : nCode DesigneLife malzeme ekleme kütüphanesi. .37Şekil 2.1.2.3.1 : nCode DesigneLife yükleme tipi seçimi ve büyüklüğü.........................................................38Şekil 2.1.2.4.1 : nCode DesigneLife analiz platformu özellikleri. 39Şekil 2.1.2.4.2 : nCode DesigneLife analiz platformu işlem anı. . .39Şekil 2.1.2.4.3 : İşlem sonucu ekran resmi........................40Şekil 2.1.2.4.4 : 2.yükleme durumuna göre analiz sonucu........41Şekil 2.1.2.4.5 : FE Display ekranında sonuç çeşitleri seçimi.....41Şekil 2.1.2.4.6 : FE Display ekranında ömür sonucu................42
9
1.METAL MALZEMELERDE YORULMA
Yorulma, dinamik yükleme altında malzemenin veya parçanın
mekanik özelliklerindeki azalma olarak
tanımlanabilir.Genellikle makine elemanları değisken
yüklere ve gerilmelere maruzdur. Yükler statik olsa dahi
çalısma esnasında elemanın kesitinde meydana gelen
gerilmeler değişken olabilir. Statik bir yük altında dönen
bir mil bu duruma örnek olarak verilebilir.
Dinamik yüklemeye maruz bir makine elemanında meydana
gelen değisken gerilmelerin maksimum ve/veya minimum
değerleri, malzemenin mukavemet sınırlarından (Sy , Su , ...)
küçük olsa dahi parçada kırılma gözlenebilir. Bu sekilde
meydana gelen göçmenin (failure) en belirgin özelliği, bir
çok defa tekrarlayan değisken gerilmelerdir. Bu sekilde
meydana gelen göçme, yorulma kırılması olarak tanımlanır.
Bu tür göçmenin baslangıç noktası, malzeme içerisindeki
tekillik ve süreksizliklerdir. Tekillikler yapısal (kalıntı
veya ikinci faz parçacıkları) veya geometriksel (basamaklar
gibi) olabilir. Bu tür süreksizlik ve tekillikler, malzeme
dayanım değerlerinden daha az yüklenmis olmasına karsılık,
etraflarında yüksek gerilme yığılmalarına yol açmakta,
değisken gerilmelerle birlikte büyümekte ve kritik bir
büyüklüğe eristikleri anda parçanın aniden kırılmasına
sebep olmaktadırlar.
10
Şekil 1: Yorulma hasarına maruz kalmış bir parça
1.1 ÇATLAK OLUŞUMU
Yorulma hasarı olayı üç aşamada değerlendirilebilir:
1.Çatlak Başlangıcı: Genellikle yüksek gerilme
yığılmalarının oluştuğu bölgelerde veya kristal yapıdaki
hatalı bölgelerden çatlak başlar.
2.Çatlak İlerlemesi: Çatlak genellikle yüzeyden
başlayıp,kayma hatları ile orta kısımlara iletilir.Ayrıca
malzeme içerisinde mikro çatlaklar var ise ve çatlak ucunda
oluşan gerilme yığılması çatlağı ilerletebilecek seviyede
ise çatlak ilerler.Uygulanan gerilme çatlağı
ilerletebilecek seviyede değil ise yrulma görülmez.Gerilme
çatlağın ilerlemesini sağlayacak kadar büyük ise çatlak
gevşek yerlerden ilerler.Böylece yıpranma yavaş yavaş tüm
keside yayılır.Ayrıca büyük ve haber verici bir uzama veya
büzülme görülmez.
11
3.Kırılma: Yıpranma nedeniyle ayrışma yeter derecede
ilerledikten sonra kesidin geri kalan kısmı yükü taşıyamaz
hale gelir ve malzeme aniden kopar.
1.2 ÖMÜR HESAPLAMA YÖNETMLERİ
Yorulma analizinin temel amacı malzemenin ömrü süresince
hangi sayıda bir çevrime dayanabileceğini karakterize
etmektir. Yorulma analizinde genel olarak 3 ana metot
mevcuttur.
Strain Life yaklaşımı günümüzde oldukça yaygın bir şekilde
kullanılmaktadır ve yorulmanın düşük çevrim sayılarını
karakterize eden, tipik olarak çatlak başlangıcını kapsayan
bir metottur. Diğer yandan Stress Life ise parçanın toplam
ömrü ile ilgilenir bunun için çatlak başlangıcını ve çatlak
ilerleyişini kapsamaz. Analizleri çevrim sayılarına göre
sınıflandırırsak Strain Life düşük sayılı çevrimler için
kullanırız bu yüzden Low Cycle Fatigue (LCF) olarak bilinir
aynı zamanda yüksek sayıdaki çevrimler içinde
kullanılabilir. LCF genellikle 105 ve bundan daha düşük
çevrimleri kapsar. Stress Life SN( Stress-Cycle Curves)
diagramına dayanır ve genellikle yüksek çevrimleri kapsar
bundan dolayı High Cycle Fatigue (HCF) diye bilinir. 105 ve
üzeri çevrimleri kapsar.
Fracture Mechanics(Kırılma Mekaniği) varsayılan bir kusur
veya boyutu bilinen bir hasar ile başlar ve çatlağın
ilerlemesini inceler bu yüzden bazen de ‘’Crack Life’’
12
(Çatlak Ömrü) diye bilinir. Çatlağın büyüme hızı, çatlağın
ömrü sürecindeki bölgeler ve kritik çatlak boyu hakkındaki
bilgileri kapsar.
1.3 GERİLME ÖMÜR EĞRİLERİ
Makine parçalarının dinamik zorlanmalarında mukavemet
sınırlarının bilinmesi için, deneyler yapılması ve buna
göre gerilme-ömür değerlerinin bulunması gerekmektedir. Bu
amaç ile çeşitli gerilme seviyelerinde değisken gerilmeye
maruz numuneler, çevrim sayılarına göre (S-N) logaritmik
bir çizimle gösterilebilir. Bu tür eğriler Wöhler eğrisi
olarak da adlandırılır.
13
Şekil 1.3.1: Wöhler Eğrisi
Çoğu çelik malzeme için Wöhler eğrisinde bir dirsek olusur.
Bu esik değerinden sonra parçanın ömrü sonsuz olarak
düsünülür. Bu esik değeri, malzemenin sürekli mukavemet
sınırı olarak Se(σD) adlandırılır.
Yorulma deneylerinin yapılması zor, pahalı ve zaman
alıcıdır. Bu nedenle araştırmacılar tarafından yorulma
dayanımının daha pratik ve kolay biçimde elde edilmesi,
mekanik özelliklere bağlı olarak yorulma dayanımını
tanımlayabilmek, aralarındaki ilişkiyi tanımlayabilmek her
zaman ilgi çekici olmuştur. Bu amaçla yapılan
araştırmalardan görülmüştür ki ; pratik olarak çelik
malzemeler için yorulma dayanımı değeri çekme dayanımının
yarısı kabul edilebilir.Dolayısı ile yaklaşık olarak Wöhler
diyagramı şekildeki gibi çıkarılabilir.
Şekil 1.3.2 : Yaklaşık Wöhler Diyagramı
14
1.4 YORULMA DAYANIMINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER
1 – Malzeme Boyutu : Malzeme boyutu arttıkça malzemelerin
statik ve yorulma dayanım değerleri değişebilmektedir.
Genel olarak malzemenin boyutu arttıkça (malzeme çapı
büyüdükçe) malzemenin yorulma dayanımı düşer. 10 mm çaptan
daha büyük makine elemanların tasarımında çap düzeltme
katsayısı Kb kullanılır.
2 – Yüzey Faktörü : Malzeme üzerindeki pürüzlülükler çentik
etkisi yaptığı için yorulma dayanımını düşürür. Düşüş
miktarı, pürüzlülük ve çekme dayanımı artarken artar.
3 – Çentik Etkisi : Malzeme üzerindeki ve içindeki
çentikler gerilme yığılmaları meydana getirir. Çentiklerden
dolayı malzemelerde gerilme yığılmaları oluşur. Bu yüzden
de malzemelerde yorulma dayanımı düşmektedir.
Çentik faktörü,bahsedildiği gibi hem çentik geometrik
etkisini (Kt) ve hem de malzemenin çentik hassasiyetini
içeren bir faktördür. Bu değerler belirnenip Kf değeri
hesaplanır.
Kf=1+(Kt-1)q
4 – Sıcaklık : Makine elemanları oda sıcaklığından daha
düşük sıcaklıklarda çalışıyor ise gevrekleşme problemi
vardır. Malzemenin çentik darbe geçiş sıcaklığı makine
elemanlarının çalışma sıcaklığından daha düşük değerlerde
olmalıdır. Sıcaklığın oda sıcaklığının üstüne çıkması
15
durumunda malzemenin akma sınırı, çekme dayanımı ve yorulma
dayanımı düşer.
1.5 YÜKLEME DURUMLARI
16
Şekil 1.4.1 : Yükleme Çeşitleri
Daha önce de belirtildiği gibi, yorulma tekrarlanan yükler
sonucu meydana gelir. Bu durumda parçaya uygulanan maksimum
ve minimum gerilmelerin değişmediği yani sabit kaldığı
uygulamalara sabit genlikli yükleme adı verilir.
Maksimum gerilme (σmaks) : Uygulanan gerilmeler arsında en
büyük cebirsel değeri olan gerilmedir.
Minimum gerilme (σmin) : Uygulanan gerilmeler arasında en
küçük cebirsel değeri olan gerilmedir.
Ortalama gerilme (σm) : Maksimum ve minimum gerilmelerin
cebirsel ortalamasıdır.
σm=σmax+σmin
2
Gerilme genliği (σa): Gerilme aralığının yarısına
eşittir. Maksimum ve minimum gerilme ile ortalama
gerilme arasındaki farktır.
σa=σmax−σmin2
1.6 ORTALAMA GERİLME EĞRİLERİ
17
Şekil 1.6.1 : Sürekli mukavemet diyagramları
Yorulma eğrisi sabit bir ortalama gerilme dedeğişken
gerilme genliğinde çizilmektedir.
Herhangi bir ortalama gerilme için yorulma eğrisi elde
etmek yeniden yorulma deneylerinin yapılması gerekir. Yada
Soderberg, Godman, Gerber teoremleri gibi belirli
yaklaşımlar kullanılır.
18
1.7 SONLU ELEMANLAR YAZILIMLARI İLE YORULMA ANALİZİ
Sonlu elemanlar yönteminin güvenilirliği ve pratikliği
konusunda yapılan araştırmalar ve deneylerden sonra bu
yöntemin gerçekle örtüşen sonuçlar verdiği gözlenmiştir.
Dolayısı ile bu fikrin endüstriyel ürün olarak ortaya
çıkması çok uzun zaman almamıştır. Yani, kişinin, deney
ortamı olmaksızın bilgisayarını bir deney düzeneği gibi
kullanması fikri cazip gelebilirdi. Çok geçmeden sonlu
elemanlar prensibini ilke edinmiş yazılımlar piyasa
sürülmeye başlandı. Bunlardan başlıcalar, FLUENT, LS-DYNA,
LINFLOW, CivilFEM, AUTODYN ve ANSYS yazılımlarıdır. Bahsi
geçen bu yazılımlar çeşitli bilim dallarına hizmet veren
yazılımlar olarak dikkat çekmektedirler.
Son yıllarda ANSYS, adından sıkça bahsedilmeye başlanan
yazılımdır. Özellikle statik gerilme problemlerinin çözümü
ve hatırı sayılır şekilde dinamik problemlerin çözümünde
gösterdiği başarı kayda değer seviyelerdedir. Genel-geçer
olma özelliğini de kazanmış olmanın verdiği güvenle sürekli
geliştirilmekte ve en iyiye doğru ilerlemektedir.
19
Şekil 2.1 : nCode DesigneLife programı görüntüsü
DesignLife ise, piyasadaki kullanımı en kolay, güçlü ve
esnek bilgisayar destekli yorulma ve dayanıklılık analizi
yazılımıdır. Sonlu eleman analizlerinden elde edilen
gerilme dağılımı kullanılarak analiz yapılmaktadır.
nCode DesigneLife programı ile yorulma analizi yapılırken
takip edilmesi gereken işlem şeması ağaşıdaki resimde
görünmektedir.
İlk olarak harici bir programdan parçanın sonlu
elemanlara ayrılmış, kuvvetlerin eklenmiş olduğu parça
modelinin DesigneLife’a entegre edilmesidir.
Daha sonra malzeme seçimi ve malzemeye ait analizi
etkileyebilecek parametrelerin tanımlanmasıdır.
Son olarak yapılması gereken yükleme şartlarının ve
oranlarının analiz platformuna eklenmesidir.
20
nCode DesigneLife programı bu veriler eşliğinde
parçaya ait yorulma ömrü, bu ömür değerindeki
deformasynlar gibi sonuçları elde etmemize olanak
sağlar.
Şekil2.2 :nCode DesigneLife işlem şeması
2. ÖRNEK ÇALIŞMA
Şekilde verilen eleman
1.F= -10500 ….+10500 daN
2.F= 0…..31500daN
3.F= -1500…+12000 daN
Kuvvetlerle çekmeye zorlanmaktadır. Elemanın boyutları D=40
mm, d=35 mm, r=7 mm, elemanın malzemesi 1050, kopma
21
mukavemeti 63,7 daN/mm2, akma sınırı 47,5 daN/mm2 çentik
hassasiyet faktörü 0.7, yüzey pürüzlülük faktörü 0.85,
boyut faktörü 0.86 olarak verilmektedir. Sodeberg
diyagramında;
a)Deney çubuğunu mukavemet sınır doğrusu, ve sodeberg
emniyet doğrusunu çiziniz.
b)Yukarıda verilen yükleme durumlarını Sodeberg
diyagramında gösteriniz ve emniyet açısından
değerlendiriniz.
σyo =0,5. σç
σyo = 0,5 . 63,7 = 31,85 daN/mm’2
kç = 1+q(kt-1)
Geometriye ait çentik faktörü kt değeri ilgili tablolardan 1,8 olarak okunur.
Kç=1+0,7(1,8-1)=1,56 bulunur.
σyo =31,85.ky.kb/kç
σyo = 31,85.0,86.0,85/1,56
σyo =14,92daN/mm’2
σak = 47,5 daN/mm’2
22
Şekil 2.1 :Malzemenin Soderberg Diyagramı
Verilen yükleme koşullarına ait gerilmelerin bulunması:
σ=F/AA =352 .π/4 = 962mm2
Birinci durumda ;
σmax =10500/962 = 10,9 daN/mm2
σmin = -10,9 daN/mm2
σa = σmax−σmin2 =10,9−(−10,9)2 =10,9 daN/mm2
σm=σmax+σmin2 =10,9+(−10,9)
2 =0
23
İkinci yükleme durumunda:
σmax = 31500/962 =32,74 daN/mm2
σmin = 0
σa = 32,74−02 =16,3 daN/mm2
σm=32,74+02 =16,3 daN/mm2
Üçüncü yükleme durumunda:
σmax=12000/962 = 12,7 daN/mm2
σmin = -1500/962 = -1,55 daN/mm2
σa = 12,5−(−1,55)2 =7,0 daN/mm2
σm = 12,5+(−1,55)2 =5,5 daN/mm2
Elde edilen ortalama gerilme ve genlik gerilmeleri
değerleri elemana ait soderberg diyagramına yerleştirilip
emniyet durumları incelendi.
24
Şekil 2.2 :Yükleme koşullarının Soderberg diyagramı üzerindegösterilişi
Bu durumda 1 ve 3 numaralı yükleme değerlerinde elemanın
sonsuz ömre sahip olacağı, 2 numaralı yükleme durumunda ise
belirli bir ömre sahip olacağı gözlemlendi.
Daha sonra ki aşama ise bilgisayar programları yardımı ile
bu sonuçların kontrol edilmesidir.
25
2.1 SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE YORULMA ANALİZİ
2.1.1 ANSYS WORKBENCH İLE STATİK ANALİZ
ANSYS yazılımı mühendislerin mukavemet, titreşim,
akışkanlar mekaniği ve ısı transferi ile elektromanyetik
alanlarında fiziğin tüm disiplinlerinin birbiri ile olan
interaksiyonunu simüle etmekte kullanılabilen genel amaçlı
bir sonlu elemanlar yazılımıdır.
Bu sayede gerçekleştirilen testlerin ya da çalışma
şartlarının simüle edilmesine olanak sağlayan ANSYS,
ürünlerin henüz prototipleri üretilmeden sanal ortamda test
edilmelerine olanak sağlar. Ayrıca sanal ortamdaki 3
boyutlu simülasyonlar neticesinde yapıların zayıf
noktalarının tespiti ve iyileştirilmesi ile ömür
hesaplarının gerçekleştirilmesi ve muhtemel problemlerin
öngörülmesi mümkün olmaktadır.
Dolayısıyla programı açtığımızda ilk olarak yapılması
gereken hangi tür analiz yapılacak ise o analiz sistemini
seçmek olmalıdır.Konumuz gereği statik analiz yapacağımız
için, toolbox içerisinden static structural’ı fare ile
seçip çalışma ekranına sürüklememiz gerekmektedir.
26
Şekil 2.1.1.1 ANSYS Workbench çalışma sayfası
Static structural sisteminde karşımıza çıkan aşamalar;
engineering data, geometry, model, setup, solution ve
results’dur.Analiz sistemini seçtiğimiz andan itibaren bu
aşamalar birbirleri ile entegre bir şekilde çalışmaya
başlarlar.Herhangi bir tanesinde değişiklik yapıldığı zaman
bütün işlemler güncellenir ve diğer aşamalar bundan
etkilenirler.Örnek olarak geometride yada malzeme seçiminde
bir değişiklik yapıldığı zaman sonuçlar kolaylıkla yeniden
hesaplanabilir.
2.1.1.1 Mazleme Özelliklerinin Belirtilmesi
Çoğu zaman Workbench bünyesinde özellikleri mevcut
bulunmayan malzemelerin kullanılması gerekebilir.Böyle bir
27
durumda ANSYS Workbench yazılımına yeni malzeme eklenerek
işlemler sürdürülür.
Malzeme seçimi yada malzeme ekleme işlemi engineering data
kısmında yapılır. Bu bölüm malzemelere ait özelliklerin
tanımlı olduğu malzeme kütüphanesi formatıdındadır.
Yapacağımız statik analizde kullanacağımız SAE 1050 karbon
çeliği kütüphanede bulunmadığı için malzemeye ait
özellikleri girmemiz gerekli.Bu özellikler statik analiz
için gerekli olan akma dayanımı,çekme dayanımı young modülü
ve poison oranıdır.
Engineerin data’ çift tıklanarak aşağıdaki ekran açılır.Bu
aşamada tanımlı malzemenin altındaki kutuya tıklanarak yeni
malzeme adı girilir.Yeni malzeme adı girildikten sonra sol
tarafta bulunan malzeme özellikleri sekmeleri aktif hale
gelir ve hangi özelliği gireceksek , çift tık ile seçilir
değeri girilir. SAE 1050 karbon çeliğini ait girilen bu
değerler ekran resminde gözükmektedir.
28
Şekil 2.1.1.1.1 Mazleme kütüphanesi
2.1.1.2 GeometriÇalışma sayfasına geri dönüldüğünde Engineering Data’ dan
sonraki işlem olarak geometry sekmesi görülür.Analiz yapacağımız
parçaya ait geometri bu aşamada belirnenir.New geometry
sekmesine tıklandığında Designe Modeler programı açılır.Bu
programda çizilen parça analizimizde kullanacağımız parçadır.
29
Şekil 2.1.1.2.1 Designe Modeler programının açılması
Şekil 2.1.1.2.2 : Designe Modeler programında çizilen parça
Bir diğer işlem import işlemidir. Farklı CAD programlarında
çizilen geometriler workbench bünyesine entegre edilir.
30
Şekil 2.1.1.2.3: Solidwork programında çizilen parça
Şekil.2.1.1.2.4: Parçanın farklı formatta kaydedilmesi
Solidwork programı ile çizilen parça workbench’in tanıyabileceği
Parasolid (*.x_t) uzantısı ile kaydedildi.İmport edilen geometri
açılmaya çalışıldığında ekranda görünmez.İşlem ağacında 0 Parts
31
0 Bodies olarak gözükür.Generate tuşuna basıldığında geometri
aktif hale gelir.
Şekil 2.1.1.2.5 : Designe Modeler’da import edilmiş parça
2.1.1.3 Sonlu Eleman Ağı OluşturulmasıModel sekmesinden mechanical programı açılır ve bu program
içerisinde mesh işlemi yapılarak sonlu eleman ağı oluşturulur.
Şekil 2.1.1.3.1 : Mechanical programının açılması
32
Mesh işlemi sonlu elemanlar metodunun uygulamasıdır. Ayrıca mesh
işlemi, yapılacak çalışmaya direk etki eder dolayısı ile mesh
işleminin kaliteli yapılması doğru ve güvenilir sonuçlara
yaklaşılmasını sağlayacaktır.
Şekil 2.1.1.3.2 : Sonlu eleman ağının oluşturulması
Eleman ağı örmenin bir çok yöntemi vardır. Bu çalışmada
‘’sizing’’ komutu ile dairesel yüzey seçilerek , 1mm
aralıklar ile nodlar ve elemanlar oluşturuldu.
33
Şekil 2.1.1.3.3 : Parçanın sonlu elemanlara ayrılmış görüntüsü
2.1.1.4 Sınır Şartları ve Yüklerin GirilmesiÖrnek uygulamamızda parça geometrisinin her iki dairesel
yüzeyinden eşit F kuvveti uygulanmakta.Şekilde de gözüktüğü gibi
,işlem ağacı üzerindeki static structural/insert açılarak
seçeneklerden Force komutu aktif hale getirilmiştir.
Şekil 2.1.1.4.1 : Kuvvet eklenmesi işlemi
34
Force komutunda iken daha sonra yapılması gereken kuvvetin hangi
yüzeye etki edeceğinin ve büyüklüğünün belirtilmesidir.
Uygulanan geometri olarak dairesel yüzey seçildi ve apply
tuşuna tıklandı. Daha sonra X yönünde 10500 N değeri girildi.
Şekil 2.1.1.4.2 : Kuvvete ait özellikler tablosu
Şekil 2.1.1.4.3 :Parçanın kuvvet eklenmiş haldeki görüntüsü
Kuvvet eklemek için diğer bir yöntem ise parça geometrisine yada
yüzeyine sağ tıklayarak Insert/Force seçeneklerinin
35
seçilmesidir. Bu işlem sonrasında sadece kuvvetin yönü ve
bileşke değeri olan x yönünde -10500 N değerinin girilmesidir.
Şekil 2.1.1.4.4 : Parça üzerine kuvvet eklenmesi
2.1.1.5 : Çözüm ve Sonuçlar
Çözüme geçilmeden önce çözülmesi istenilen problemleri
belirlemek için işlem ağacında bulunan “Solution” dalında
sağa tıklayıp “Insert” sekmesinden istenilen analiz
çeşitleri seçilir. Aşağıdaki ekran resminde göründüğü
üzere vonmisses gerilmelerinin, asal gerilmelerin ve toplam
deformasyonun çözülmesi istendi. Daha sonra yapılması
gereken tek işlem solve komutuna tıklamaktır.
36
Şekil 2.1.1.5.1 : Çözüm seçeneklerinin seçilmesi
37
Şekil 2.1.1.5.2 : VonMisses gerilmeleri sonucu
Şekil 2.1.1.5.3 : Maksimum çekme gerilmesi sonucu
38
Şekil 2.1.1.5.4 : Toplam deformasynlar sonucu
Bu aşamada parçanın bu yük etkisinde statik analizi yapıldı
ve sonuçlar incelendi.Von misses gerilmeleri, asal
gerilmeler ve deformasyonlar incelendiğinde parçanın
elastik şekil değiştirdiği, gerilmelerin akma dayanımının
çok altında olduğu gözlemlendi.
Parçaya ait sonlu eleman ağına ve statik analizine sahip
olduğumuzdan dolayı bundan sonra projemizde ikinci aşama
olarak nCode DesigneLife programı ile yorulma analizine
başlıyacağız.
2.1.2 nCode DesigneLife İLE YORULMA ANALİZİ
39
Program açıldığında karşımıza boş bir çalışma sayfası
çıkmaktadır.Ekranın sağ tarafında ise çeşitli menüler
bulunmakta.Yorulma analizini hangi parametrelere bağlı
olarak yapıcağımıza yada verileri hangi formatlarda
programa dahil edeceğimize göre bu menülerden gerekli
işlemleri seçmemiz gerekmektedir.
Sonlu eleman verilerimiz ANSYS Workbench bünyesinde hazır
olarak bulunduğunda, ilk olarak ‘‘input’’ menüsünden ‘’FE
input’’ kutucuğunu fare ile sürükleyerek çalışma sayfasına
bırakıyoruz.Yorulma analizini Stress Life methodu ile
yapacağımızdan dolayı ‘’DesigneLife’’ menüsünden ‘’SN CAE
Fatigue’’ analiz platformunu fare ile seçerek çalışma
sayfasına bırakıyoruz.Veriler bu platformda işlenecek ve
sonuçları başka platformlardan inceleyeceğiz. Sonuçları hem
liste halinde hemde sonlu eleman görüntüsü halinde
inceleyebilmek için iki adet platformu ekrana sürüklememiz
gerekmekte.Bunlar ‘’Display’’ menüsünden ‘’Data Values
Display’’ ve ‘’FE-Display’’ platformlarıdır.Aşağıdaki
ekran görüntüsünde bu platformlar gözükmektedir.
Bu platformları birbirleri ile, girdi-çıktı şeklinde
ilişkilendirerek ana platformumuzu oluşturmuş oluruz.
40
Şekil 2.1.2.1 nCode DesigneLife programı çalışma ekranı
2.1.2.1 Sonlu Eleman Modelinin Eklenmesi
Yorulma analizini bu platformlar ile yapacağız. Şimdiki işlem
ise Workbench’te yaptığımız FE model’i nCode DesigneLife’ a
entegre etmek.Bunun için ekranın sol üstünde bulunan ‘‘File’’
menüsünden ‘’Open Data Files’’ sekmesi tıklanır.Açılan ekranda
‘’Browse’’ sekmesinden daha önce yapılan sonlu eleman modeli
bulunur ve ’’ Add To File List’’ tuşu ile programa eklenir.
Artık Ekranın sol tarafında ‘’Available Data ’’ kısmında bu
modeli görebiliriz.Fare ile bu modeli sürüklenip FE model
kutucuğuna bırakılarak işlem tamamlanır.
41
Şekil 2.1.2.1.1 : Programa FE model’in eklenmesi
Ekran görüntüsünde göründüğü üzere ‘’FE input’’ a sağ tuş
ile tıklayarak properties menüsü açılmıştır.Buradan da
‘’Result Case’’ seçeneklerinden birini seçerek ANSYS’ de
yapmığız analizleri aynı şekilde sonlu elemanlar üzerinde
görebiliriz.
42
Şekil 2.1.2.1.2 :Sonlu eleman modeli özellikleri
Şekil 2.1.2.1.3 : FE input VonMisses gerilmeleri görüntüsü
43
2.1.2.2 Malzeme Özelliklerinin Girilmesi
SN Analiz platformu üzerinde sağ tuşa basarak açılan menüde
‘’Edit Material Mapping’’ sekmesi seçilir. Açılan menüde ’’
Material Type’’ seçeneklerinden Standart SN malzemeleri
seçilir.Bu listede uygulamamızda kullandığımız Carbon Steel
SAE 1050 malzemesi seçilecektir.Malzeme üzerine fare ile
çift tıklandığında malzeme özellikleri klasörü açılır.
’’Properties’’ kısmında çekme ,akma dayanımı gibi
özellikler tanımlıyken ‘’Graph’’ kısmında malzemeye ait
Stress Life diyagramı görülebilir.
44
Şekil 2.1.2.2.1 : nCode DesigneLife malzeme özellikleri tablosu
İstenilen malzemenin analizde kullanılabilmesi için Fare
ile seçilip ‘’Default Material ’’satırına taşınması
gerekmektedir. Malzemeye ait yüzey pürüzlülük ,çentik
hassasiyeti ve boyut faktörü gibi parametreler bu aşamada
belirtilir. ’’Default Material’’ satırındaki seçilmiş
malzeme üzerine fare ile çift tıklayarak ‘’Material Group
Parameters ’’ dosyası açılır.Aşağıdaki ekran görüntüsünde
de göründüğü üzere bu kısımda ; çentik hassasiyet faktörü
0.7, yüzey pürüzlülük faktörü 0.85, boyut faktörü 0.86
olarak belirtildi.
45
Şekil 2.1.2.2.2. : nCode DesigneLife malzeme ekleme kütüphanesi
2.1.2.3 Yükleme Koşullarının Belirtilmesi
Uygulamamızdaki yükleme durumları sabit genliklidir.Bunun
için yapılması gereken tek şey max gerilme ve min
gerilmenin oranlarının belirtilmesidir. nCodeDesigneLife
programı Workbench de girdiğimiz kuvvet değerlerini,
gireceğimiz katsayılar ile oranlayarak sabit genlikli bir
yükleme durumu oluşturur.
Malzeme seçiminde yapıldığı gibi burada da yapılması
gereken SN Analiz platformuna sağ tıklayarak açılan menüden
‘’Edit Load Mapping’’ sekmesinin açılmasıdır.Ekran
görüntüsünde göründüğü gibi ‘’Loading Type’’
46
seçeneklerinden ‘’Constant Amplitude’’ seçeneğinin
seçilmesidir.
Workbench bünyesinde statik analizi yaparken kuvvet
değerlerini 105000 N olarak girmiştik.Soruda verilen
1.yükleme durumunda min ve max kuvvet değerleri ise, -
10500….+10500 daN ‘dır.Dolayısıyla ‘’Max Factor’’ değerini
‘1’ , ’’Min Factor ’’ değerini ‘-1’ girmemiz
gerekmektedir.
Şekil 2.1.2.3.1 : nCode DesigneLife yükleme tipi seçimi vebüyüklüğü
2.1.2.4 Çözüm ve Sonuçlar
Stress Life yöntemi ile ömür hesabı yaparken ‘‘SN
Analysis’’ platformuna bazı parametreleri tanımlamamız yada
değiştirmemiz gerekebilir.Bunlar ortalama gerilmeleri
düzeltme yöntemi (Godman,Gerberg,İnterpolation) ,gerilme
47
birimi (Pa), gerilmelerin bileşkeleri teoremi(Von
Misses)gibi.
Bunlar gibi birçok paramemetreyi ‘’SN Analysis’’ platformu
üzerine sağ tuş ile açılan menüden Properties sekmesi
seçilerek ekran resminde göründüğü gibi değişiklikler
yapılabilir.
Şekil 2.1.2.4.1 : nCode DesigneLife analiz platformu özellikleri
Sonlu eleman modeli ,malzeme seçimi , yükleme koşullarının
ve analiz parametrelerinin belirlenmesinden sonra yorulma
hesabı yapılabilir.Yapılması gereken tek işlem ekranın
üzerindeki komutlardan run tuşuna basmak tır.
48
Şekil 2.1.2.4.2 : nCode DesigneLife analiz platformu işlem anı
Örnek soruda verilen 1. yükleme koşullarına göre, yorulma
analizi sonucu ekran görüntüsü aşağıda verilmiştir.’’Data
Value Display’’ kısmında bütün nod’lara ait sonuçlar liste
halinde verilmektedir.Resimde göründüğü üzere ömür sonucu
Beyonde Cutoff olarak yani sonsuz olarak çıkmıştır.
Şekil 2.1.2.4.3 : İşlem sonucu ekran resmi
49
2. numaralı yükleme durumu için yeniden ‘’Edit Load
Map’’dosyası açılarak ‘’Max factor’’ değeri 3 ‘’Min
factor’’ değeri 0 olarak verilmiştir ve analiz tekrar
edilmiştir. Analiz sonucunda elemanın belirli bir ömür
değerine sahip olduğu görülmüştür.Analiz sonucuna göre
nod’lar arasında en düşük çevrim değeri 2,54 E+5 olarak
çıkmıştır.
Şekil 2.1.2.4.4 : 2.yükleme durumuna göre analiz sonucu
Analiz sonuçlarını liste halinde görebildiğimiz gibi sonlu
elemanlar ağı üzerinden de görebiliriz. Bunun için ‘’FE
Display’’ platformuna bakabiliriz.Bu kutucuğu büyülterek
sonuçlar daha net olarak görülebilir.Ömür sonuçlarının en
az hangi noktalarda olduğu, hasar değerlerinin hangi
kısımlarda daha fazla olduğu daha net görülebilir.Farklı
50
sonuçları eleman ağı üzerinden görmek için yapılması
gereken ‘’Fe Display Properties’’ den sonuç tiplerini
değiştirmektir.
Şekil 2.1.2.4.5 : FE Display ekranında sonuç çeşitleri seçimi
Şekil 2.1.2.4.6 : FE Display ekranında ömür sonucu
51
3.yükleme koşulunda da elemanın sonsuz ömre sahip olduğu
sonucu ortaya çıktı.Bu koşullarda Soderberg Teoremine göre
yapılan klasik çözüm ile sonlu elemanlar yöntemi ile
dijital ortamda yapılan analiz sonuçlarının birbirleri ile
tutarlılık gösterdiği gözlemlendi.
3. SONUÇ
Sonlu elemanlar yöntemi ile gerçekleştirilen yorulma
analizi, modellemenin doğru
olarak yapılması koşulu ile gerçekle örtüşen sonuçlar
verecektir. Bu sonuçlar sayesinde,
malzemenin ömrü için gerekli ön bilgiye sahip olunacak ve
lüzum görülen emniyet52
katsayıları da hesaba katılarak malzemeden optimum süre
boyunca istifade edilecektir.
Günümüzde sonlu elemanlar yöntemi ile analiz yapan pek çok
program mevcuttur.Bu programlar da kendi aralarında ihtisas
konularına yönelmiştir.nCode DesigneLife programı spesifik
olarak yorulma analizi üzerinde durmaktadır.Bu yaklaşım
sonuçların hızlı ve güvenilir bir şekilde elde edilmesi
noktasında önemlidir.Çünkü mühendislik dallarında her
birinde pek çok farklı hesaplamalar mevcuttur ve tek bir
programın bütün bunlara cevap verebilmesi için bazı
şeylerden feragat edilmesi gereklidir.Örnek olarak ANSYS
programı ile de yorulma analizi yapılabilmetedir fakat bazı
parametreleri değiştirme imkanı bulunmamaktadır, kendi
kabulleri içerisinde çözümü yapmaktadır.
Programlardan elde ettiğimiz sonuçların klasik çözümler ile
birbirini doğrulaması hem sonlu elemanlar programına güveni
hemde yaptığımız hesaplamaların doğruluğuna olan güveni
arttıracaktır.
53
KAYNAKÇA
1-www.youtube.com/fatigue
2- METALİK MALZEMELERDE YORULMA DAYANIMINI İNCELEMEK İÇİN KULLANILANYORULMA MAKİ NALARI Ögr. Gör. Nurcan KUMRU (Celal Bayar Üniversitesi)
3- http://www.ex-en.com.tr/357E7FD959F44C5FA49A69F6B0A736EF/designlife
4- SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE YORULMA MEKANİĞİ VE UYGULAMALARI (KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ )
5- MALZEMELERİN YORULMA MUKAVEMETİ (ZONGULDAK ÜNİ DERS NOTU )
6-YORULMA DERS NOTLARI – YRD.DOÇ.DR. NUSRET MEYDANLIK –TRAKYA ÜNİVERSİTESİ
7- YORULMA DERS NOTLARI-YRD.DOÇ.DR ERSOY ERİŞİR –KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ
8-YORULMA DERS NOTLARI-PROF.DR.HATEM AKBULUT-SAKARYA ÜNİVERSİTESİ
9-YORULMA DERS NOTLARI-BALIKESİR ÜNİVERSİTESİ
10-YORULMA DERS NOTLARI-PROF.DR. İRFAN KAYMAZ
11- http://www.ncode.com/en/products/ncode-designlife/features-at-a-glance/
54
