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.
Öncelikle seçilen malzemeye göre gerçekçi bir ağırlık sağlamak için ve modelin tam bir insan veya mal yükü ile kullanıldığı varsayılarak Şekil 2.10’da gösterildiği gibi dolduruldu. Ayrıca tasarımda böyle bir dolgunluğun seçilmesinin bir diğer nedeni de geometrinin iç kafes yapılarının karmaşıklığını analiz programında en aza indirerek ortaya çıkabilecek teknik sorunları önlemektir.
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.
Şekil 3.13: Epoksi Karbon Dokuma Malzeme Özellikleri
Şekil 3.12: Karbon Fiber Malzeme Özellikleri
Şekil 3.14: Meshleme Ayarlarının Tanımlanması
Şekil 3.15: Meshleme Kalite Tanımlaması
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.
Şekil 4.10: Su Özellikleri
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.
Şekil 4.11: Ek Kütle Uygulaması
Şekil 4.12: 1000m Uzunluğunda Su Derinliği
Teknenin su üzerindeki gücünü incelemek için belirli frekans, büyüklük ve yönlerdeki dalgalar belirlendi.
Şekil 4.13: Difraksiyon (Kırınım) Ağacının Şematik Görünümü
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.
| Ortalama | Uygulanmaya Müsait Dalga Frekansları (Hz) | Maksimum Basınç (Pa) (x10-3) | Minimum Basınç (Pa) (x10-3) |
| 1. | 0,0159 | 3,2 | -3,2 |
| 2. | 0,1345 | 45,1 | -45,1 |
| 3. | 0,2532 | 239,7 | -239,7 |
| 4. | 0,3718 | 448,0 | -448,1 |
| 5. | 0,4904 | 351,7 | -351,7 |
| 6. | 0,6091 | 1193,8 | -1193,8 |
| 7. | 0,7277 | 1055,4 | -1055,4 |
| 8. | 0,8463 | 1398,4 | -1398,4 |
| Ortalama | 0,4311 | 591,9 | -591,9 |
| Ortalama frekansa göre | 399,8 | -399,8 |
-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.
