Polimer Matris Malzemeli Tekne Gövdesi Tasarımı ve Hidrodinamik Difraksiyon Analizi #2

---

Makine Mühendisliği Proje Çalışması Örneği #1

---

 

#2 – Tasarım, Analiz ve Sonuçların Değerlendirilmesi

 

Tasarım

 

Bu tasarım planlanırken günlük hayatta kullanılan tekneler orijinal boyutları ile ele alınmıştır. Analiz sürecini daha verimli yönetmek ve daha az karmaşık sonuçlar elde etmek için tasarım sadeleştirilmiştir. Analizi kolaylaştırmak için yapılan bu sadeleştirme, planlanan gerçek model ile yaklaşık sonuçlar verecek şekilde malzeme koşulları ve boyutları ayarlanmıştır.

İkinci seçenek, gerçekçi bir görünüm sağlamak için 0,4m kalınlığa sahip olmak, ancak analiz etmemekti. 0,4m kalınlık teknenin ucunda Şekil 2.11’de görüldüğü gibi geometrinin karmaşıklığını arttırdığından, 0,4m kalınlık geometrinin karmaşıklığını artırarak meshleme sırasında bazı hatalara neden olarak tasarımın farklı bir şekil almasına neden olur. Bu, üzerinde anlaşılan tekne tasarımının hidrodinamik analizleri açısından istenmeyen bir durumdur.

Model 2 için planlanan ağ oluşturma ve yük dağılımı analiz süreçleri, programda çözüm analizi için gereken karmaşıklığı ve çözüm süresini artırdıkça, daha az karmaşık bir modele ihtiyaç doğmuş ve Model 1’deki hacim yeniden tasarlanmıştır. Diğer taraftan ağırlık kaybı olmaması için kullanılan malzemeler arasından daha uygun bir kompozit malzeme seçilmiştir.

Analiz

1 – Statik Yapısal Analiz

Varsayımlar, açıklamalar ve girdiler

Analiz için:

a. Metrik (m,kg,N,s,mV,mA) sistemi olarak alınan birimler.

b. Global Koordinat Sistemi varsayılan koordinat sistemi olarak alınmıştır.

Geometri ve Malzemeler

Teknenin toplam kütlesi yaklaşık 42 ton olarak hesaplanmıştır. Bunun nedeni, teknenin boyutları günlük kullanılan tekneler kadar normal olmasına rağmen, malzemenin yüksek yoğunluğudur.

Malzeme:

Malzeme tanımlama sürecinde ilk olarak Karbon Fiber kompozit malzeme kullanılmıştır. Yüksek Karbon Fiber (395 GPa) yoğunluğu ve gerçekçi olmayan sonuçlar vermesi nedeniyle malzeme Epoksi Karbon Dokuma (230 GPa) Prepreg olarak değiştirildi.

2 – Hidrodinamik Kırınım Analizi

Varsayımlar, açıklamalar ve girdiler

Analiz için:

a. Metrik (m,kg,N,s,mV,mA) sistemi olarak alınan birimler.

B. Global Koordinat Sistemi varsayılan koordinat sistemi olarak alınmıştır.

Bu yöntem, teknenin dinamik güçlerinin görülmesini ve dalga frekansına bağlı olarak değişen hareketlerin ve salınım frekanslarının incelenmesini sağlar.

Öncelikle çevre koşullarının tanımlanması gerektiğinden 1000m derinlikte bir su hacmi oluşturulmuştur.

Standart Yer çekimi de dahildir.

Geometri ve Malzemeler

1.1 Nokta Kütle: Yaklaşık 42 ton olarak malzeme özelliklerinden dolayı kütleyi karşılayacak şekilde tanımlanmıştır.

1.2 Bölme Yüzeyi: Teknenin su altı kısmının uzunluğunun geometrik kütle merkezi olarak hesaplanması sonucunda, üstten 1.2041 metre (z ekseni) uzunluğundaki teknenin geometrik hacmi ikiye bölünmüştür. Şekil 4.10’da gösterilmiştir.

Teknenin su üzerindeki gücünü incelemek için belirli frekans, büyüklük ve yönlerdeki dalgalar belirlendi.

Dalga yönleri teknenin etrafında -180° ile 180° arasında ayarlandı. Dalga frekans dağılımları geometriye göre hesaplanmıştır. Analizler 0.40m dalga boyunda yapılmıştır.

Meshleme

0,2 ila 0,4 metre arasında değişen ağ ayarlandı. Burada, statik ağ oluşturmadan farklı olarak, yüz boyutlandırma yerine varsayılan ayarlar kullanılır.

Çözüm Süreci ve Sonuçları

Çözüm sonuçları incelendiğinde, tekne geometrisinin izin verdiği farklı frekans değerleri altında yapılan basınç ve hareket hesapları sonuçlanmıştır.

-180 ile 180 derece arasında değişen dalga uygulama çözümüne son hali verilerek elde edilen veriler ve görseller yorumlanmak üzere not edilmiştir. Ancak, tekneye mukavemet ve ortalama değer olarak farklı büyüklükte 8 dalga frekansının uygulanabileceği belirlenmiş ve bu değere en yakın değerler Tablo 1.10’da görüldüğü gibi en iyi sonucun alınabilmesi için vurgulanmıştır.

Verilerin Değerlendirilmesi

Tekne analiz sonuçları incelendiğinde:

1. Şekil 5.12 ve Şekil 5.13’te gösterildiği gibi, 8 farklı dalga frekansı arasından alınan ortalama değere en yakın 2 frekans değeri (0.3718 Hz ve 0.49043 Hz) ile yapılan analizde dayanım sonuçları elde edilmiştir. teknenin geometrisi ve seçilen malzemenin akma dayanımı (230 GPa) göz önüne alındığında da uygulanabilir bir tasarım olduğu tespit edilmiştir.

2. Teknenin uygulanabilir en düşük dalga frekansı (0.01592 Hz) ile yapılan analizlerde, Şekil 5.10 ve Şekil 5.11’de ve Tablo 1.10’da görüldüğü gibi mukavemet büyüklükleri elde edilmiştir. Bu değerler teknenin sağlamlığına göre görülmüştür.

3. Teknenin geçerli ortalama frekans değerlerinden daha büyük frekans değerleri için Şekil 5.14’te görüldüğü gibi teknenin batmasına neden olacak şiddette dalgalanmalar olduğu tespit edilmiştir.

Sonuç

Tekne için kullanılan Epoksi Karbon Dokuma (230 GPa) Prepreg malzeme, belirtilen koşullarda yapılan analizler sonucunda mukavemeti yüksek bir malzeme olarak nitelendirilebilir ve ışıkta tekne için uygun bir malzeme olduğu söylenebilir. Bu analizden ve literatür araştırması sonucunda elde edilen veriler. Ayrıca tekne geometrisi yüksek frekanslı su dalgaları için uygun görülmemektedir.

---

Proje raporu burada bitmektedir. Bu proje çalışması; mühendislik öğrencilerine proje çalışmaları için teknik rapor yazımında rehber olması, tasarım ve analiz aşamalarında izlenebilecek adımların gösterilmesi açısından ışık tutması ve söz konusu programların kullanımının örneklendirilmesi amacıyla sunulmakla beraber tüm hakları saklıdır.

Projenin bir önceki yazısına gitmek için buraya tıklayın.

Polimer Matris Malzemeli Tekne Gövdesi Tasarımı ve Hidrodinamik Difraksiyon Analizi #1

---

Makine Mühendisliği Proje Çalışması Örneği #1

---

#1 – Giriş ve Teorik Arkaplan

Gelişen teknoloji ile birlikte birçok kuruluş tekne üretiminde yeni tasarım ve üretim standartları geliştirmekte ve malzeme seçimi bu standartlara uygun olarak yapılmaktadır. Öte yandan uzun süreli kullanım, güvenli sürüş ve birçok doğa koşuluna dayanıklı olacak üretim malzemelerinin uzun süreli kullanımı için arayışlar devam etmektedir.

Kompozit malzemeler son yüzyıla damgasını vuran en önemli malzemelerden biridir. Otomotiv sektöründe karoser, motor aksamları, iç aksamlar, fren diskleri, tamponlar ve lastikler gibi birçok yerde kullanılan kompozitler; İnşaat sektöründe esnek ve kolay tasarım özelliği, yüksek yalıtım kapasitesi, nakliye ve montajdaki avantajları sayesinde soğuk hava deposu, paneller, yapı kalıpları, cephe korumaları gibi çok çeşitli alanlarda tercih edilmektedir. Diğer yandan tekne üretiminde oldukça tercih edilen kompozit malzemelerin mukavemet analizleri farklı programlar ve çözüm yöntemleri ile yapılmaktadır.

Bu çalışmada, polimer matrisli kompozit malzemelerden Ansys programı malzeme kitaplığında tanımlanan Epoksi Karbon Dokuma (230 GPa) Prepreg ile tasarlanan tekne gövdesinin statik ve ardından hidrodinamik analizi yapılacak ve malzeme ve tasarım değerlendirilecektir.

Deneysel Prosedür

Bu proje için 2 aşamalı bir deneysel prosedür öngörülmüştür ve bu deneysel bölüm tasarım ve analiz aşamalarından oluşmaktadır. İlk aşama olan tekne tasarımında kullanılacak çizim standartları araştırılmış ve buna göre kullanılacak tasarıma karar verilmiştir. Analiz aşamasını daha verimli hale getirmek için daha basit bir tasarıma olan ihtiyaç dikkate alınarak yaklaşık 15 metre uzunluğunda, 5,4 metre genişliğinde ve 2,35 metre derinliğinde bir tasarım yapılmıştır. Teknenin gövde kalınlığı 0,4 metre olarak ayarlanmıştır.

Tekne için dolu ve boş olmak üzere iki varyasyon tasarlanmış ve analizler sırasında teknik koşullardan kaynaklanabilecek problemler dikkate alınarak boş tekne tasarımına devam edilmiştir.

Analiz aşamasında, Ansys programı ile Statik Yapısal ve Hidrodinamik Kırınım modülleri kullanılmış ve ağ ile tasarımın düğüm, eleman, kütle, ağ kalitesi, gövde kalınlığı ve seçilen uygun malzeme gibi parametreler Statik. Yapısal modül. Hidrodinamik Kırınım modülü ile tekne kararlı durumda yüzdürüldü ve belirli koşullar altında dinamik analiz yapıldı.

Kompozit Malzemeler

Kompozitteki birincil faz matristir; Sürekli ve esnektir, dağıtma (takviye) fazını tutar ve uygulanan yükün dağıtılmasını sağlar. Dağınık faz genellikle matristen daha güçlüdür, matris içinde sürekli veya rastgele düzenlemelerde bulunabilir.

Polimer Matrisli Kompozitler

Polimer matrisli kompozitler, matris olarak bir polimer reçine ve takviye ortamı olarak lifler ve/veya diğer takviye malzemeleri içeren kompozitlerdir. Takviye fazı ve matris arasındaki etkileşim, güçlü kimyasal bağlardan zayıf sürtünme kuvvetlerine kadar farklı biçimler alabilir. Ara yüzey olarak tanımlanan bu tür etkileşimler, donatıların uygun malzemelerle kaplanmasıyla kontrol altında tutulur.

Polimer matrisli kompozitler kompozit uygulamalarında en çok kullanılan kompozit türüdür; fabrikasyon işlemleri kolaydır. Yüksek çekme mukavemeti, sertliği, kırılma tokluğu ve aşınmaya, delinmeye ve korozyona karşı dayanıklıdır. PMC’lerin önemli dezavantajları, düşük termal direnç ve yüksek termal genleşmedir. Yüksek performanslı fiber takviyeli polimer matrisli kompozitler, hafiflikleri, korozyon direnci, yorulma direnci ve kolay montajı nedeniyle çok çeşitli branşlarda tercih edilen malzemelerdir. Uzay aracı ve uçak yapıları, elektronik ambalaj malzemeleri, tıbbi ekipman, ev aletleri gibi kullanım alanları arasında çeşitli ön ekler verilebilir.

En önemli polimerik kompozitler doğada bulunur; bunlar ‘doğal kompozitler’ olarak tanımlanır; örneğin ahşap, lignin matrisinde selüloz lifleri bulunan doğal bir bileşiktir.

Tasarım

Günümüzde gelişen bazı tasarım kriterleri göz önünde bulundurularak tekne tasarımları yapılmaktadır. Ayrıca kompozit malzemelerin tasarım için yaygın olarak kullanıldığı gözlemlenmiştir.

Analiz

Tasarlanan bir tekne imal edilmeden önce bazı test ve analizlerden geçmelidir. Bu bağlamda statik ve dinamik özelliklerin incelenmesi, dayanım hesaplarının yapılması tasarım için nihai üretim kararı vermeden önce yapılması gereken işlemler arasındadır. Teknenin kendi ağırlığı ile su üzerindeki davranışı ve ilave ağırlık uygulandığında yapısal davranışının nasıl değişeceği de araştırma konularından bazılarıdır.

Kullanılan Yazılımlar ve Analiz Yöntemleri

Bilgisayar Destekli Tasarım

Tasarımın çeşitli aşamalarında çizimlerden yararlanılır. Tasarımı anlatan ve imalat ile tasarım arasındaki iletişimi sağlayan çizimler. Klasik çizim mantığı, çizim tahtası ve cetvel gibi çizim cihazlarının kullanılması ve teknik resim ilkelerine bağlı kalınması ile anlatılmaktadır. CAD mantığı, klasik mantığın dezavantajlarını ortadan kaldırmak için geliştirilmiştir. CAD çizim mantığında klasik çizim araçlarının yerini bilgisayar donanımı ve bir nesneyi iki veya üç boyutlu olarak gösterecek programlara bırakmıştır. CAD için kullanılan diğer bir terim olan CADD (bilgisayar destekli tasarım ve çizim), tasarım ve çizimi birlikte ifade eder. Klasik mantık ve CAD mantığının ortak özelliği, çizim için vazgeçilmez bir kural olan teknik çizim prensipleridir.

SolidWorks

SEA ve Kullanılan Analiz Sistemleri

Sonlu Elemanlar Analizi

Sonlu Eleman Analizi (SEA), Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEM) adı verilen sayısal bir teknik kullanan herhangi bir fiziksel olgunun simülasyonudur. Mühendisler bu yöntemi, fiziksel prototiplerin ve deneylerin sayısını azaltmak ve daha iyi ürünler geliştirmek için tasarım aşamasında bileşenleri optimize etmek için kullanırlar. Yapı veya akışkan davranışı, termal konveksiyon, dalga yayılımı, biyolojik hücrelerin

büyümesi vb. gibi herhangi bir fiziksel fenomeni kapsamlı bir şekilde anlamak ve ölçmek için matematiği kullanmak gerekir. Bu işlemlerin çoğu Kısmi Diferansiyel Denklemler (KDD’ler) kullanılarak açıklanmıştır. Ancak bir bilgisayarın bu denklemleri çözebilmesi için son birkaç on yılda sayısal teknikler geliştirilmiştir ve bunlardan öne çıkanlardan biri Sonlu Elemanlar Analizidir. Diferansiyel denklemler sadece doğal süreçleri değil, aynı zamanda mühendislik mekaniğinde karşılaşılan fiziksel olayları da tanımlayabilir. Bu kısmi diferansiyel denklemler, bir yapıdaki ilgili miktarları (gerinim tipi, ısı transferi vb.) hesaplamak ve belirli bir yük altında çalışılan bileşenin belirli bir davranışını tahmin etmek için çözülmesi gereken karmaşık denklemlerdir. SEA’nın probleme sadece yaklaşık bir çözüm verdiğini ve bu kısmi diferansiyel denklemlerin gerçek sonucu elde etmek için sayısal bir yaklaşım olduğunu bilmek önemlidir. Basitleştirilmiş haliyle SEA, bir parçanın veya montajın belirli koşullar altında nasıl davrandığını tahmin etmek için kullanılan sayısal bir yöntemdir. Modern simülasyon yazılımı için bir temel olarak kullanılır ve mühendislerin tasarımlarındaki zayıf noktaları bulmalarına yardımcı olur. SEA yöntemine dayalı bir simülasyonun sonuçları, şekilde gösterildiği gibi genellikle bir renk skalası ile gösterilir.

A. Statik Yapısal (Static Structural)

a. Dışarıdan uygulanan kuvvetler ve basınçlar

b. Kararlı durum atalet kuvvetleri (yer çekimi veya dönme hızı gibi)

c. Uygulanan (sıfır olmayan) yer değiştirmeler

d. Sıcaklıklar (termal zorlanma için)

e. Diğer bir deyişle, bu özellikler zaman ve mekana göre değişmeyen daha statik yükleme koşullarında kullanılmaktadır.

Örneğin, bir sandalyeye oturduğunda oluşan tepkiler ve herhangi bir cıvata-somun çiftinin yarattığı gerilmeler, statik yapısal problemlere en iyi örneklerden biri olarak kabul edilebilir.

B. AQWA Hidrodinamik Difraksiyon (Kırınım)

ANSYS AQWA, dalga, rüzgar ve akımın; yenilenebilir enerji sistemleri, FPSO sistemleri, gergi bacak platformları (TLP’ler), gemiler, yarı-dalgıçlar, dalgakıran mimarisi ve direkler gibi yüzer ve sabit açık deniz ve deniz yapıları üzerindeki etkisini incelemek için bir mühendislik araç takımıdır.

AQWA Hidrodinamik Kırınım, karmaşık hareketler ve reaksiyon analizleri için gereken birincil hidrodinamik parametreleri oluşturmak için optimize edilmiş bir ortamdır. Çoklu cisimler için, tüm hidrodinamik reaksiyon etkileri dikkate alınarak üç boyutlu doğrusal radyasyon ve kırınım analizi gerçekleştirilebilir.

Yüzer yapılar için özel olarak oluşturulan modellerde dalgakıran veya yerçekimi esaslı yapılar gibi sabit gövdeler kullanılabilir. İkinci dereceden dalga kuvvetlerini hesaplamak için tam kuadratik transfer fonksiyonu matrislerinin kullanılması, çok çeşitli su derinliklerinde kullanıma izin verir.

---

Projenin ikinci kısmı olan tasarım, analiz ve sonuçların değerlendirilmesi başlıklı yazıya ulaşmak için buraya tıklayınız.