tabakali kompozİt malzemelerİn serbest tİtreŞİm...

web.deu.edu.tr/ansys

Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 1

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

TABAKALI KOMPOZİT MALZEMELERİN SERBEST TİTREŞİM ANALİZİ

(ANSYS-KLASİK İLE)

ARAŞTIRMA PROJESİ

Hazırlayan : Ayhan KİNET

Danışmanlar:

Araş.Gör. Dr. Hasan Öztürk - Doç. Dr. Mehmet Zor

Şubat 2008

İzmir



TEŞEKKÜR Kompozit sistemlerin serbest titreşim analizi konusunda hazırlamış olduğum bu araştırma tezinde bana rehberlik eden ve ANSYS programının kullanılması konusunda desteğini esirgemeyen Doç. Dr. Mehmet ZOR ’a ve Dr. Hasan ÖZTÜRK ’e teşekkür ederim.

Ayhan KİNET



1. GİRİŞ

KOMPOZİT MALZEMELER

Birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacıyla bir araya

getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzeme sistemine kompozit

malzeme denir. En geniş anlamda, bir kompozit malzeme iki veya daha fazla bileşenden

meydana gelen malzemedir. Bu bileşenler makroskobik seviyede bir araya getirilirler ve

birbirleri içinde çözünmezler. Takviye elemanı olarak adlandırılan bileşen; fiber, partikül

veya ince levha şeklinde olabilir. Diğer bileşen ise matris fazıdır. Bu malzemelerin bir araya

getirilmesi, bir takım çalışma karakteristiklerinin bu bileşenler tek olarak değerlendirildiği

durumdakinden daha iyi olmasına müsaade eder. Buna karşılık bu malzemelerin mekanik

özelliklerini belirlemede bazı güçlükler mevcuttur. Bu durum kompozit malzemelerin metalik

malzemelere nazaran daha kompleks bir yapıya sahip olmasından kaynaklanmaktadır.

Cam elyaflı poliyester levhalar, çelik donatılı beton elemanlar, otomobil lastikleri

ve seramik metal karışımı olan sermentler bunlara örnektir.

Metal Kompozitler (Metal Matrisli Birleşik Malzemeler MMC):

Bir metalik fazın bazı takviye malzemeleri ile eritme vakum emdirme, sıcak presleme

ve difizyon kaynağı gibi ileri teknikler uygulanarak MMC’ ler elde edilirler. MMC ler daha

çok uzay ve havacılık alanlarında, mesela uzay teleskobu, platform taşıyıcı parçalar, uzay

haberleşme cihazlarının reflektör ve destek parçaları vs. yerlerde kullanılır.

Kompozit Malzemelerin Avantajları ve Dezavantajları

Kompozit malzemelerin birçok özelliklerinin metallerinkine göre çok farklılıklar

göstermesinden dolayı, metal malzemelere göre önem kazanmışlardır.Kompozitlerin özgül

ağırlıklarının düşük oluşu hafif konstrüksiyonlarda kullanımda büyük bir avantaj

sağlamaktadır. Bunun yanında, fiber takviyeli kompozit malzemelerin korozyona dayanımları,

ısı, ses ve elektrik izolasyonu sağlamaları da ilgili kullanım alanları için bir üstünlük

sağlamaktadır.

Aşağıda bu malzemelerin avantajlı olan ve olmayan yanları kısaca ele alınmıştır.

Kompozit malzemelerin dezavantajlı yanlarını ortadan kaldırmaya yönelik teorik çalışmalar



yapılmakta olup, bu çalışmaların olumlu sonuçlanması halinde kompozit malzemeler metalik

malzemelerin yarini alabilecektir.

1.Yüksek Mukavemet :Kompozitlerin çekme ve eğilme mukavemeti birçok metalik

malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı kompozitlere

istenen yönde ve bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylece malzemeden tasarruf

yapılarak, daha hafif ve ucuz ürünler elde edilir.

2.Kolay Şekillendirebilme : Büyük ve kompleks parçalar tek işlemle bir parça halinde

kalıplanabilir.Bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar.

3.Elektriksel Özellikler : Uygun malzemelerin seçilmesiyle çok üstün elektriksel

özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilebilir. Bugün büyük enerji nakil hatlarında

kompozitler iyi bir iletken ve gerektiğinde de başka bir yapıda, iyi bir yalıtkan malzemesi

olarak kullanılabilirler.

4.Korozyona ve Kimyasal Etkilere Karşı Mukavemet : Kompozitler, hava

etkilerinden, korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler. Bu özellikleri

nedeniyle kompozit malzemeler kimyevi madde tankları, boru ve aspiratörler, tekne ve diğer

deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır. Özellikle korozyona karşı mukavemetli

olması, endüstride birçok alanda avantaj sağlamaktadır.

5.Isıya ve Ateşe Dayanıklılığı : Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden oluşabilen

kompozitlerin ısıya dayanıklılık özelliği, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak

sağlamaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozitlerin ısıya dayanımı arttırılabilir.

6.Kalıcı Renklendirme : Kompozit malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave

edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir.Bu işlem ek bir masraf ve işçilik

gerektirmez.

7.Titreşim Sönümlendirme : Kompozit malzemelerde süneklik nedeniyle doğal bir

titreşim sönümleme ve şok yutabilme özelliği vardır. Çatlak yürümesi olayı da böylece

minimize edilmiş olmaktadır.

Bütün bu olumlu yanların dışında kompozit malzemelerin uygun olmayan yanları da

şu şekilde sıralanabilir:

• Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz

etkilemektedir.

• Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler.



• Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri

farklılıklar gösterir.

• Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden

olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez.

Görüldüğü gibi kompozit malzemeler, bazı dezavantajlarına rağmen çelik ve

alüminyuma göre birçok avantaja sahiptir. Bu özellikleri ile kompozitler otomobil gövde ve

tamponlarından deniz teknelerine, bina cephe ve panolarından komple banyo ünitelerine, ev

eşyalarından tarım araçlarına kadar bir çok sanayi kolunda problemleri çözümleyecek bir

malzemedir.

Tabakalı kompozitler: Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım

alanına sahip olan tiptir. Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek

mukaveket değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve

aynı zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Sürekli elyaf

takviyeli tabakalı kompozitler uçak yapılarında, kanat ve kuyruk grubunda yüzey kaplama

malzemesi olarak çok yaygın bir kullanıma sahiptirler.

Ayrıca, uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanı olan sandviç yapılar da tabakalı

kompozit malzeme örneğidirler. Sandviç yapılar, yük taşımayarak sadece izolasyon özelliğine

sahip olan düşük yoğunluklu bir çekirdek malzemenin alt ve üst yüzeylerine mukavemetli

levhaların yapıştırılması ile elde edilirler.



2. Tabakalı Kompozitlerde Serbest Titreşim Analizi

2.1 Problemin Tanımı

Şekil 1 Serbest Titreşim Analizi Yapılacak Orthotropik (5 tabakalı) Malzemenin Görünümü

2.2 Programın açılması

Şekil 2 Ansys Programının Başlatılması



Şekil 3 Program Açılış Penceresi 2.3 Analiz Türü “Main Menu>Preferences” tıklanır “Structural” seçili hale getirilip “OK” butonuna basılır

Şekil 4 Analiz Türü Seçimi



2.4 Birim Seçimi “Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Library>Select Units” tıklanır “SI(MKS)” seçilip “OK” butonuna basılır

Şekil 5 SI Metrik Sistemin Seçilmesi 2.5 Modelleme “Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS” tıklanır

Şekil 6 Keypoint Koordinatları Seçimi

( X, Y, Z ) 1. noktanın koordinatı ( 0, 0, 0 ) 2. noktanın koordinatı ( 200, 0, 0 ) 3. noktanın koordinatı ( 200, 0, -10)



4. noktanın koordinatı ( 0, 0, -10) 1.nokta için “Keypoint Number 1” yazılır “X,Y,Z” koordinatlarına da yukarıda verilen değerler girilir. Ardından “Apply” butonuna basılır 2.nokta için “Keypoint Number 2” yazılır “X,Y,Z” koordinatlarına da yukarıda verilen değerler girilir. Ardından “Apply” butonuna basılır 3.nokta için “Keypoint Number 3” yazılır “X,Y,Z” koordinatlarına da yukarıda verilen değerler girilir. Ardından “Apply” butonuna basılır 4.nokta için “Keypoint Number 4” yazılır “X,Y,Z” koordinatlarına da yukarıda verilen değerler girilir. Ardından “OK” butonuna basılır

Şekil 7 Keypoint Noktalarının Gösterimi



“Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Straight Line” seçeneği tıklanır

Şekil 8 Çizgi Çizme Komutu ve Çizgiyi Oluşturacak Keypointlerin Seçimi Daha sonra; 1.Yol: “Create Straight Line” menüsüne “1” yazılıp “Apply” tıklanır “2” yazılıp “Apply” tıklanır, “3” yazılıp “Apply” tıklanır “4” yazılıp “OK” butonuna basılır 2.Yol: Mouse ile “1” noktası üzerine gelinip nokta seçilir ardından yine Mouse ile “2” noktası sonra “3” noktası ve son olarak “4” noktası seçilir ve “Create Straight Line” menüsünde “OK” butonu tıklanır



Şekil 9 Oluşturulan Çizgiler

“Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>By Lines” seçilir

Şekil 10 Çizgilerden Alan Oluşturma



Daha sonra Mouse ile “1-2” çizgisi, ardından “2-3” çizgisi, sonra “3-4” çizgisi ve son olarak da “4-1” çizgisi seçilip açılmış olan “Create Area by Lines” menüsünde “OK” butonuna basılır

Şekil 11 Alan Oluşturmak İçin Seçilen Çizgilerin Görünümü

Şekil 12 Oluşturulan Alanın Görünümü



2.6 Eleman Tipi Seçimi “Main Menu>Preprocessor>Add/Edit/Delete” seçeneği tıklanır Açılan “Element Types” menüsünde “Add…” seçeneği tıklanır

Şekil 13 Element Seçimi Komutu Açılan “Library of Element Types” menüsünde “Shell” ardından da “Linear Layer 99” seçilip “OK” butonu tıklanır

Şekil 14 Element Türü Belirleme



Daha sonra; Element tipi seçilmiş durumdadır ve otomatik olarak açılmış menüden “Close” butonu tıklanır ve menüden çıkılır “SHELL99” ile ilgili değerleri girmek için “Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete” seçeneği tıklanır.

Şekil 15 Element Değerlerini Girme Komutu ve Değeri Girilecek Elementin

Seçilmesi Daha sonra açılan “Real Constants” menüsünden “Add…” seçilir.

Şekil 16 Element Türünü Onaylama



Daha önceden seçtiğimiz “SHELL99” elementinin değerlerini girmek için “OK” butonu seçilir

Şekil 17 Element Tipini Numaralandırma

2.7 Tabaka Sayısı ve Açıları

Şekil 18 Tabaka Sayısı Girme “Number of layers” değerini “5” olarak girip “OK” butonuna basılır



Şekil 19 Tabakaların Açı ve Kalınlık Değerlerinin Girilmesi “10 mm” yüksekliği eşit “5” parçaya böldüğümüz için her biri “2mm” kalınlığındadır açıları sırayla “45,-45,45,-45,45” olarak girdik.

Şekil 20 Değer Giriş Penceresinin Kapatılması Girilen değerler “Set 1” olarak kaydolmuş olur ve “Close” butonuna basarak menüden çıkılır



2.8 Malzeme Özellikleri “Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models” seçeneği tıklanır. Açılan menüde “Material Models Available” kısmında “Structural>Linear>Elastic>Orthotropic” çift tıklanır.

Şekil 21 Malzeme Özelliklerini Girme Komutu ve Orthotropik Malzeme Seçimi

Şekil 22 Malzeme Özelliklerinin Girişi



Elastisite modülü (X) =150000 Elastisite modülü (Y) =11000 Elastisite modülü (Z) =11000 Poisson Oranı (X) =0.24 Poisson Oranı (Y) =0.2 Poisson Oranı (Z) =0.24 Akma Mukavemeti (X) =21000 Akma Mukavemeti (Y) =21000 Akma Mukavemeti (Z) =21000 (Bu değerleri başka bir problemden aldım. Probleme göre gerekli değerler alınmalıdır.) Malzeme özellikleri gerektiği şekilde girilir ve daha sonra “OK” tıklanıp işlem kaydedilir Yine yukarıdaki “Material Models Available” kısmında “Structural>Density” çift tıklanır ve “Density” değeri “7.83x10-6 ”olarak girilir.

Şekil 23 Yoğunluk Değerinin Girilmesi



Daha sonra “Define Material Model Behavior” menüsünden “Material>Exit” tıklanarak çıkılır

Şekil 24 Malzeme Özellikleri Menüsünden Çıkış 2.9 Elemanlara Ayırma “Main menu>Prepocessor>meshing>mesh tool” tıklanır

Şekil 25 Elemanlara Ayırma Komutu



, “Mesh tool” menüsünde “size controls>global>set” tıklanır Açılan “Global Element Sizes” menüsünde; “SIZE Element edge length 0” “NDIV No. Of element divisions 30” girilir ve “OK” tıklanır

Şekil 26 Elemanlara Ayırma Menüsü “Mesh Tool” menüsünden “Mesh” tıklanır ve Mouse ile alan seçilir ve otomatik olarak açılan “Mesh Areas” menüsünde “OK” tıklanır ve alan “30” parçaya bölünmüş olur

Şekil 27 Elemanlara Ayrılacak Alanın Seçimi



2.10 Sınır Şartları Kirişi sabitlemek için; “MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural> Displacement>OnLines” tıklanır ve Mouse ile “4-1” çizgisi seçilir otomatik olarak açılmış olan “Apply U,ROT on Lines” menüsünde “OK” butonuna basılır

Şekil 28 Sınır Şartlarını Belirleme Komutu (Modeli Sabitleme) Açılan menüde “ALL DOF” seçili hale getirilir “Displacement Value” değeri “0” girilir ve “OK” butonuna basılarak işlem tamamlanır

Şekil 29 Sınır Şartlarını Onaylama



Şekil 30 Modelin Sınır Şartlarının Uygulanmış Görünümü 2.11 Hacim Kazandırma “Utility Menu>Plot Ctrls>Style>Size and Shape…”

Şekil 31 Model Şekil Özellikleri Menüsüne Giriş



Açılan “Size and Shape” menüsünde “Display of Element” seçeneği “On” olarak değiştirilir ve “OK” tıklanır

Şekil 32 Modele Hacimsel Görünüm Kazandırma

Şekil 33 Modelin Hacim Kazanmış Görünümü



2.12 Analiz Tipi “Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis” seçilir ve açılan “New Analysis” menüsünde “Modal” seçili hale getirilip “OK” butonuna basılır

Şekil 34 Analiz Tipi Seçimi “Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options” seçilir ve açılan “Modal Analysis” menüsünde “Made Extraction Method>Subspace” olarak değiştirilir “No. Of Modes to Extract>5” “Expand Mode Shapes>Yes” “No. Of Modes to Expand>5” olarak düzenlenip “OK” butonuna basılır

Şekil 35 Analiz Ayarlarını Düzenleme



Otomatik olarak açılan “Subspace Modal Analysis” menüsü “OK” butonuna basılarak devam edilir

Şekil 36 Analiz Ayarlarını Düzenleme (2)



2.13 Çözüm “Main Menu>Solution>Solve>Current LS” seçilir açılan “Solve Current Load Stop” menüsünde “OK” butonuna basılır

Şekil 37 Çözümleme Komutu ve Çözümleme Adım Başlangıcı



2.14 Sonuçların Görülmesi İlk adımdaki sonucu görmek için “Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set” tıklanır

Şekil 38 İlk Sonucu Okuma Komutu (1. Mod)

Kirişteki deformasyonu görmek için; “Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape” tıklanır ve açılan menüde “Def+undef edge” seçili hale getirilip “OK” butonuna basılır

Şekil 39 Deformasyonu Görme Komutu ve Seçenekleri (1. Mod)



Şekil 40 Deformasyonun Görüntüsü (1. Mod) İkinci Adımdaki Sonucu Okuma Komutu (2. Mod) İkinci sonucu görmek için; “Main Menu>General Postproc>Read Results>Next Set” tıklanır Deformasyonu Görme Komutu ve Seçenekleri (2. Mod) Kirişteki deformasyonu görmek için; “Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape” tıklanır ve açılan menüde “Def+undef edge” seçili hale getirilip “OK” butonuna basılır

Şekil 41 Deformasyonun Görüntüsü (2. Mod)



Benzer şekilde diğer modlardaki sonuçlar görülebilir.





Şekil 44 Deformasyonun Görüntüsü (5. Mod) Kirişin analizini animasyon olarak görebilmek için “Utility Menu>Plot Ctrls > Animate > Mode Shape” tıklanır

Şekil 45 Animasyon Görünümü Seçeneği

“DOF Solution>Def+Undef Edge” seçili hale getirilip “OK” butonuna basılır



Şekil 46 Animasyon Ayarları

tabakali kompozİt malzemelerİn serbest tİtreŞİm...

Documents