Sonlu Elemanlar Yöntemi Kullanılarak Çapa Makinesi Bıçağının Statik Analizi

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 9, No: 4, 2012 (45-51) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 9, No: 4, 2012 (45-51) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) Sonlu Elemanlar Yöntemi Kullanılarak Çapa Makinesi Bıçağının Statik Analizi Kadir GÖK *, Mustafa AYDIN **, Arif GÖK *** * Dumlupınar Üniversitesi Tek. Bil. MYO, Kütahya/TÜRKİYE ** Dumlupınar Üniversitesi Müh. Fak. Mak. Müh. Böl., Kütahya /TÜRKİYE * Kastamonu Üniversitesi Kastamonu MYO, Kastamonu/TÜRKİYE kadirgok67@hotmail.com Geliş Tarihi: Kabul Tarihi: Özet Bu çalışmada, çapa makinesi bıçağı üzerine uygulanan 5 farklı yük altında meydana gelen gerilme ve deformasyonlar AnsysWorkbench programı kullanılarak incelenmiştir. Çapa makinesi bıçağı, deliklerinden sabitlenirken, kesme yapan yüzeyine ve 700N olmak üzere 5 farklı kuvvet uygulanmıştır. Analizler sonucunda 700N luk kuvvet altında çapa makinesi bıçağında meydana gelen gerilme değeri 555 MPa olarak hesaplanmıştır. Bu değer malzemenin akma dayanımı aşmaktadır. Bu kuvvet değerinden sonra malzeme kalıcı olarak deformasyona uğrayacaktır. Anahtar Kelimeler: Sonlu Elemanlar Yöntemi, 3B optik tarama, Çapa makinası The Static Analysis of Hoeing Machine Blade Using Finite Element Method Abstract In this study, the stresses and deformations occurring under five different load applied on the blades of hoeing machine were analyzed using AnsysWorkbench. The blades of hoeing machine were fixed from the holes. In the analysis were applied on cutting surface in five forces as and 700 N. As a result of analysis, the values of stresses occuring on blades of hoeing machine under 700 N force was calculated as 555 MPa. This value exceeds the yield strength of the material. After this, the material will be permanently deformed. Keywords : Finite Element Method, 3D optical scanner, Hoeing machine 1. GİRİŞ Çapa makineleri, toprağın işlenip hazır hale getirilmesinde kullanılan benzinli ve dizel tipleri bulunan bir çeşit tarım makineleridir. Çok seri ve pratik olarak çapalama işlemi ile tarımcılığın vazgeçilmez usnurlarından biri haline gelmiştir. Özellikle akslara bağlanan çapa bıçakları ile her türlü tarım arazisi ve toprak koşullarında rahatlıkla kullanılanabilmektedirler. Çapa makinesi (Şekil 1) alırken dikkat etmeniz gereken önemli şeylerden biri arazinizin büyüklüğü ve yapısıdır. Yetiştireceğiniz üründe çapa makinesinin tipini belirleyebilmektedir. Bu makaleye atıf yapmak için Gök K., Aydın M., Gök A., Sonlu Elemanlar Yöntemi Kullanılarak Çapa Makinesi Bıçağının Statik Analizi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2012, (9) How to cite this article Gök K., Aydın M., Gök A., The Static Analysis of Hoeing Machine Blade Using Finite Element Method Electronic Journal of Machine Technologies, 2012, (9) 45-51

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) Sonlu Elemanlar Yöntemi Kullanılarak Şekil 1. Çapa makinesi [1] Literatürde, çapa makinesi bıçağının statik ve gerilme analizi hakkında mevcut çalışmaya rastlanmamıştır, fakat buna paralel olarak eksvatör ve benzeri makine ve ekipmanlarının fikstür ya da bağlantı elemanlarının hasar analizleri incelenmiştir. Bošnjak vd. [2], kepçe tekerlekli eksvatörün bağlantı çubuk desteğinin hasar analizini yapmışlar ve sonlu elemanlar analizini kullanmışlardır. Momcilovic vd. [3], 28MW lık yatay hidro türbin milinin hasar analizini sayısal hesaplamalara dayalı olarak gerçekleştirmişlerdir. Bayrakçeken vd., bir otomobil motorunun kam milinin kırılma analizini yapmışlardır. Hasar sebebini belirlemek için bir sonlu eleman gerilme analizi yanı sıra birkaç deneysel çalışmayı gerçekleştirmişlerdir [4]. Bekçi ve vd. [5] ise bir robot kolu aktarma organında kullanılması düşünülen farklı malzemelerden imal edilmesi tasarlanan modüler yapıdaki bir planet dişlinin ANSYS ile gerilme analizini gerçekleştirmişlerdir. Bu çalışmada, çapa makinesi bıçağı üzerinde uygulanan 5 farklı yük altında meydana gelen gerilme ve deformasyonlar AnsysWorkbench programı kullanılarak incelenmiştir. 2. SAÇ PARÇANIN SAYISALLAŞTIRILMASI Tersine mühendislik, mevcut CAD verisi olmayan yada hasar görmüş parçaları, bir tarayıcı yardımıyla elde edilen nokta bulutunu kullanarak CAD verisini daha hızlı bir biçimde yeniden elde etme olarak tanımlanabilir. Tasarım sürecini azalttığı içinde endüstride çok önemli bir rol üstlenmektedir. Bu yöntem; son yıllarda hızlı prototip imalatında yoğun bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Klasik tasarım sürecinin aksine CAD yazılımları ile daha hızlı bir şekilde CAD verisi elde edilerek zamandan kazanım sağlamaktadır. Çok önemli diğer bir avantaj ise karmaşık parçaların tasarımında kolaylık sağlamasıdır. Çok karmaşık parçaların tasarımında bazen mevcut CAD yazılımı yetersiz kalabilir. Tersine mühendislik ile parça ne kadar karmaşık olursa olsun bir tarama cihazı ile rahatlıkla taranabilir ve nokta bulutu elde edilebilir. Teknik resmi olmayan bir parçanın CAD verisini elde etmek için ilk olarak nokta bulutu elde edilir. Elde edilen nokta bulutu mevcut CAD yazılımı ile yüzey oluşturulur. Eğer taranacak parçanın üzerinde bir hasar sözkonusu ise hasarlı kısım kolaylıkla belirlenir ve düzeltilir. Çapa makinesi bıçağı, stereo SHINING 3D OPTICSCAN CLASSIC D tarama cihazı ile taranarak nokta bulutu elde edilmiştir. SHINING 3D OPTICSCAN CLASSIC D, 1,300,000 den fazla nokta oluşturabilmekle birlikte LED teknolojisine sahiptir arasında hassasiyete sahip olmakla birlikte arasında çözünürlüğe sahiptir. Şekil 2. de SHINING 3D OPTICSCAN CLASSIC D tarama cihazının resmi görülmektedir. Şekil 3. de ise taranacak parçanın resmi görülmektedir. 46

3 Gök K., Aydın M., Gök A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) Şekil 2. SHINING 3D OPTICSCAN CLASSIC D 3 boyutlu tarama cihazı Şekil 3. Taranacak parça Tarama cihazının üzerindeki kameralar sayesinde hareketli kafa ile parçanın üzerine ışık düşürülerek taranması sağlanmıştır. Parçanın tarama işleminden sonra nokta bulutu verisi elde edilmiştir. *.asc uzantısında kaydedilen dosyanın nokta bulutu Şekil 4. de olduğu gibi görülmektedir. Şekil 4. Taranan parçadan elde edilen nokta bulutu 47

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) Sonlu Elemanlar Yöntemi Kullanılarak 2.1. Parçanın CAD Modelinin Oluşturulması Nokta bulutu oluşturulan çapa makinesi bıçağı Geomagic Studio 10 programında *.asc formatında açılır. Programın nokta örme ve düzenleme komutları ile nokta bulutundan ağ ve sonrasında yüzey model oluşturulur. Şekil 5. de nokta bulutundan oluşturulmuş parçanın yüzey modeli görülmektir. Şekil 5. Nokta bulutundan oluşturulmuş yüzey model 3. ÇAPA MAKİNESİ BIÇAĞININ GERİLME ANALİZİ Çalışma şartları altında çapa makinesi bıçağı üzerinde meydana gelen gerilme ve şekil değiştirmeler ANSYS Workbench paket programı kullanılarak analiz edilmiştir. Çapa makinesi bıçağına ait model Geomagic Studio 10 versiyonunda oluşturularak (Şekil 5) iges formatında AnsysWorkbench sonlu eleman esaslı analiz programında açılmıştır. Çapa makinesi bıçağının ağ (mesh) yapısı için Hex Dominant eleman tipi seçilirken, eleman boyutu olarak 2mm seçilmiştir. Çapa makinesi bıçağının kesme yapan kısmının ağ yoğunluğu diğer kısımlara göre daha sık seçilmiştir. Çapa makinesi bıçağının ağ yapısı Şekil 6. de verilmiştir. Ağ işlemi sonrası toplam düğüm, eleman meydana gelmiştir. Çapa makinesi bıçağı üzerine uygulanan sınır şartları ve kuvvet değeri kullanıcı tarafından belirlenmiştir. Çapa makinesi bıçağı deliklerinden sabitlenirken, kesme yapan yüzeyine ve 700N olmak üzere 5 farklı kuvvet uygulanmıştır. Şekil 7. de gerilme analizinde uygulanan sınır şartları görülürken, kullanılan çapa makinesi bıçağına ait yapısal ve termal özellikler Tablo 1.de verilmiştir. Şekil 6. Çapa makinesi bıçağının ağ (mesh) yapısı. 48

5 Gök K., Aydın M., Gök A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) Şekil 7. Çapa makinesi bıçağı üzerine uygulanan sınır şartları ve kuvvet Tablo 1. Çapa makinesi bıçağına ait yapısal ve termal özellikler [6] Structural Elastikiyet Modulü 2,e+005 MPa Poisson Oranı 0,3 Yoğunluk 7,845e-009 kg/mm³ Termal Genleşme 1,2e-005 1/ C Akma Dayanımı 505 MPa Çekme Dayanımı 585 MPa 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Analizler sonucunda çapa makinesi bıçağı üzerinde meydana gelen gerilme ve deformasyonlar hesaplatılmıştır. Farklı kuvvet altında çapa makinesi bıçağında meydana gelen gerilme ve deformasyonlar Şekil 8 ve Şekil 9 da gösterilmiştir. Şekil 10 da görüldüğü gibi 600N luk bir yük altında çapa makinesi bıçağında meydana gelen gerilme değeri 476,49 MPa olarak delik çevresinde yoğunlaşmıştır. Bu değer malzemenin akma dayanımından (505) düşük olduğu için malzemede bu kuvvete kadar herhangi bir ciddi hasar ya da kalıcı bir deformasyon meydana gelmeyecektir. 700N luk bir yük altında çapa makinesi bıçağında meydana gelen gerilme değeri 555 MPa olarak hesaplanmıştır. Bu değer malzemenin akma dayanımı aşmaktadır. Bu kuvvet değerinden sonra malzeme kalıcı olarak deformasyona uğrayacaktır. Kritik yük değerinde çapa makinesi bıçağında meydana gelen deformasyon miktarı 0, mm olarak hesaplanmıştır. Değişken zorlamalara maruz makine elemanlarında gerilmelerin maksimum değerleri yerine bunların genliği ve periyodik değişimi, yani tekrarı önemlidir. Periyodik olarak değişen gerilmeler elemanın iç bünyesinde bir takım yıpranmalar ve ayrılmalar doğurur [7]. Tekrarlı yükler altında malzemenin iç yapısında ya da herhangi bir keskin köşesinde meydana gelen çatlaklar, zamanla gerilme yığılmalarına sebep olmaktadır. Bunun sonucu olarak malzemenin akma dayanımından daha düşük gerilme değerlerinde bile kırıldığı ya da hasara uğradığı gözlenebilmektedir. Bunun yanı sıra çapa makinesi bıçağı üzerine uygulanan kuvvet ve sonucunda meydana gelen gerilmeler arasındaki ilişki üstel ve istatiksel olarak oldukça önemli çıkmıştır. Kuvvet ve gerilme arasında korelasyon katsayısı R² = 0,9845, kuvvet ve deformasyon arasında korelasyon katsayısı R² = 0,9846 olarak bulunmuştur. 49

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) Sonlu Elemanlar Yöntemi Kullanılarak Şekil 8. Kuvvet-Gerilme grafiği Şekil 9. Kuvvet-Deformasyon grafiği Şekil N luk bir yük altında çapa makinesi bıçağında meydana gelen gerilme dağılımı Dinamik yüklerin parça ve mekanizma üzerinde yorulma ve titreşime sebebiyet vermesinden dolayı, sonraki çalışmalarda bu parça için yorulma ve modal analizleri gerçekleştirilmesi planlanmaktadır. 5. KAYNAKLAR Bošnjak, S., Zrnic, N., Simonovic, A., Momcˇilovic, D., 2009, Failure Analysis Of The End Eye Connection Of The Bucket Wheel Excavator Portal Tie-Rod Support, Engineering Failure Analysis, 16, Momcˇilovic, D., Odanovic, Z., Mitrovic, R., Atanasovska, I., Vuherer, T., 2007, Failure Analysis Of Hydraulic Turbine Shaft, Engineering Failure Analysis, 20,

7 Gök K., Aydın M., Gök A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) Bayrakceken, H., Ucun, İ., Tasgetiren, S., 2006, Fracture Analysis of A Camshaft Made From Nodular Cast Iron, Engineering Failure Analysis 13, Bekçi, U., Varol, R., Taylan, F., 2006, Farklı Malzemelerden İmal Edilmiş Modüler Dişli Çarkların ANSYS ile Gerilme Analizi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2, Ansys Workbench 14.0 Material Library 7. Akkurt, M., 2005, Makine Elemanları Cilt: I-II, Birsen Yayınevi Ltd. Şti., İstanbul. 51