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
Kompozitler, kendi özelliklerini koruyan bir arayüz ile birbirine bağlanan farklı fazlar veya malzemelerin bir kombinasyonudur. Kompozitin fiziksel ve mekanik özelliklerini belirlemek için farklı elemanlar bir araya gelir.
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
SolidWorks, katı modeller oluşturan bir bilgisayar destekli tasarım (CAD) ve bilgisayar destekli mühendislik (CAE) programıdır. Solidworks, DSS Solidworks olarak da bilinir. DSS, bu programı geliştiren bir şirket olan Dassault Systeme’nin kısaltmasıdır. Bu CAD yazılımı, herhangi bir karmaşıklık olmadan hızlı bir şekilde 2D veya 3D katı modeller oluşturmanıza olanak tanır. Diğer CAD programlarına göre en büyük avantajı çok kullanışlı bir arayüze sahip olmasıdır.
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)
Statik bir yapısal analiz, önemli atalet ve sönümleme etkilerini indüklemeyen yüklerin neden olduğu yapılarda veya bileşenlerde meydana gelen yer değiştirmeleri, gerilmeleri, gerinimleri ve kuvvetleri belirler. Sabit yükleme ve tepki koşulları varsayılır; yani, yükler ve yapının tepkisinin zamana göre yavaş değiştiği varsayılır. ANSYS, Samcef veya ABAQUS çözücü kullanılarak statik bir yapısal yük gerçekleştirilebilir. Statik bir analizde uygulanabilecek yükleme türleri şunları içerir:
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.
