KOMPOZİT BORULARIN PATLATMA CİHAZININ VE PANELİNİN TASARIMI

Transkript

1 T.C. DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KOMPOZİT BORULARIN PATLATMA CİHAZININ VE PANELİNİN TASARIMI BİTİRME PROJESİ Musa ÇINAR / Emin ELMAS Projeyi Yöneten Prof. Dr. Onur SAYMAN HAZİRAN 2007 İZMİR

2 TEZ SINAV SONUÇ FORMU Bu çalışma / /. günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ olarak kabul edilmiştir. Yarıyıl içi başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden (.. ) dir. Başkan Üye Üye Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,.. numaralı jürimiz tarafından / /. günü saat da yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden. almıştır. Başkan Üye Üye ONAY

3 TEŞEKKÜR Bu projeyi hazırlarken bizden yardımlarını esirgemeyen başta değerli hocamız Prof. Dr. Onur SAYMAN a teşekkürü bir borç bilirim. En büyük teşekkürü ise maddi ve manevi desteklerini ile her zaman yanımızda olan ve bizi bu günlere getiren en değerli varlıklarımız ailemize sunmak istiyoruz.

4 ÖZET Bu çalışmada kompozit boruların test edilmesinde kullanılan hidrolik test ünitesinin tasarımı yapılacaktır. Kompozit boruların test ünitesine bağlanışı bağlanma aparatları hakkında bilgi verilerek deneylerden elde edilen sonuçlar ile kompozit boruların ANSYS programı ile elde edilen sonuçları karşılaştırılacaktır. Çalışmanın ilk bölümünde kompozit malzemeler ve kompozit basınçlı tüpler hakkında bilgi verilecektir. İkinci bölümde kompozit boruların patlatma cihazının tasarımı ve deney düzeneği açıklanacaktır. Üçüncü bölümde ANSYS programında çözüm aşamaları gösterilecek ve son bölümde deneysel yolla ve bilgisayarda bulunan sonuçlar karşılaştırılacaktır.

5 İÇİNDEKİLER İçindekiler... I Şekil Listesi... III Tablo Listesi... IV Bölüm Bir GİRİŞ Sayfa 1.Kompozit malzemeler Tanımı Kompozit Malzemelerin Olumlu Yanları Kompozit Malzemelerin Olumsuz Yanları Kompozit Malzemelerin İmalat Yöntemleri Kompozit Türleri ve Sınıflandırılması Yapılarını Oluşturan Malzemeye Göre Plastik-Plastik Kompozitler Plastik-Metal Kompozitler Plastik-Cam Elyaflı Kompozitler Plastik-Köpük Kompozitler Metal Matrisli Kompozitler Seramik Kompozitler Yapı Bileşenlerinin Şekillerine Göre Partikül Esaslı Kompozitler Lamel Esaslı Kompozitler Fiber Esaslı Kompozitler Dolgu Kompozitler Tabaka Yapılı Kompozitler.. 10 I

6 1.6 Kompozit Teknolojisinin Gelişimi Basınçlı Kaplarda Meydana Gelen Gerilmeler. 11 Bölüm İki TEST ÜNİTESİ 2. Cihazı Oluşturan Parçalar Basınç Ünitesi Panel Aparatlar Bölüm Üç ANALİZ 3. Silindirik Tüpün ANSYS programı ile analizi Giriş Analiz Bölüm Dört SONUÇ 4. Deneysel ve Ansys Sonuçları Deneysel Yolla Elde Edilen Sonuçlar ANSYS Programı ile Elde Edilen Sonuçlar Sonuç 29 Kaynaklar II

7 ŞEKİL LİSTESİ Şekil Silindirik Tüp Şekil Silindirik Tüp Enine Kesit 11 Şekil Silindirik Tüp Şekil 2.1 Hidrolik Basınç Tankı ve Elektrik Motoru. 14 Şekil 2.2 Direction Valf.. 15 Şekil 2.3 Basınç Transmiteri.. 17 Şekil 2.4 PLC Paneli (dış).. 17 Şekil 2.5 PLC Paneli (iç) 17 Şekil 2.6 Deney Tüpü Boyutları. 18 Şekil 2.7 Bağlantı Aparatı.. 18 Şekil 2.8 Bağlantı Aparatı.. 19 Şekil 2.9 Bağlantı Aparatı.. 19 Şekil 2.10 Deney Tüpünün Bağlanmış Konumu 19 Şekil 2.11 Koruyucu Ünite. 20 Şekil 2.12 PLC Kontrollü Hidrolik Test Ünitesi 20 Şekil 3.1 Analiz Türünün Seçimi Şekil 3.2 Eleman Tipi Seçimi. 22 Şekil 3.3 Tabaka Sayısı, Kalınlık Ve Sarım Açısını Girilmesi.. 22 Şekil 3.4 Malzeme Özelliğinin Girilmesi Şekil 3.5 Termal Genleşme Katsayısının Girilmesi Şekil 3.6 Çekme, Basma ve Kayma Değerlerinin Girilmesi.. 24 Şekil 3.7 Modelleme.. 24 Şekil 3.8 Mesh İşleminin Yapılması.. 25 Şekil 3.9 Tsai-Wu Criteria ya göre analizin yapılaması. 26 Şekil 3.10 Katmanlar ve Sarım Açıları Şekil 3.11 Çözüm Sonucu (Tsai-Wu ya göre).. 27 III

8 TABLO LİSTESİ Tablo 4.1 Deneysel Yolla Elde Edilen Sonuçlar. 28 Tablo 4.2 Ansys Programı İle Elde Edilen Sonuçlar IV

9 BÖLÜM BİR GİRİŞ 1.KOMPOZİT MALZEMELER 1.1 TANIMI Kompozit malzemeler; iki ya da daha fazla malzemenin uygun özelliklerini tek malzemede toplayarak veya yeni bir özellik çıkarmak amacıyla makro düzeyde birleştirilmesi sonucu oluşturulan malzemelerdir. Kompozit malzeme, birbirine göre üstün ve zayıf yönleri olan en az iki ayrı malzemenin, fiziksel olarak makro düzeyde bir araya getirilmesiyle oluşturulan değişik özelliklere sahip yeni bir malzeme olarak ta tanımlanabilir. Kompozit malzemelerde çekirdek olarak fiber kullanılmaktadır. Bu malzemenin çevresinde hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan matris kullanılmaktadır. Bu iki malzeme grubundan fiber malzeme, kompozit malzemenin mukavemet ve yük taşıma özelliğini sağlamaktadır. Matris malzeme nin iki ana rolü vardır. Plastik deformasyona geçişte olabilecek ilerlemelerini önleyici rol oynamakta ve kompozit malzemelerin kopmasını geciktirmektedir. Diğer kullanım amacı da fiber malzemeleri yük altında bir arada tutabilmek ve kompozit malzemeye gelen yükün liflere homojen olarak dağılmasına olanak verir. Kompozit malzeme kullanılarak üretilecek olan parçalar tasarlanırken, parçanın hangi alanda kullanılacağı ve kullanıma yönelik spesifik ihtiyaçların neler olduğunun bilinmesi gerekir. Kompozit bir parça tasarlanırken maliyet, ham malzeme özellikleri, çevre koşullarının parçaya etkisi, imalat yöntemi, kalite kontrol metotları gibi bir dizi faktör birlikte değerlendirilmelidir. Tasarımda en büyük zorluklardan birisi kompozit malzemelerin izotropik özellikler göstermemesidir. Bu yüzden tasarımcı, parçaya her yönden ne kadar yük 1

10 geleceğini ve parçanın hangi noktasında ne kadar mukavemete ihtiyaç olduğunu iyi almayıp, fiberin yerleşim açılarını ona göre hesaplanmalıdır. Kompozit malzemelerin, parça bütünlüğü, hafiflik, yüksek mukavemet, darbeye dayanımı ve uzun kullanım ömrü gibi özellikleri, geniş kullanım alanlarında avantajlar sağlamaktadır. Cam elyafı elastik bir malzemedir. Yük altında düzgün olarak kopma noktasına kadar uzayan cam elyafı, çekme yükünün kalkması sonucunda herhangi bir akma özelliği göstermeden başlangıç boyutuna döner. Diğer metallerde ve organik liflerde bulunmayan bu elastiklik ve yüksek mukavemet özellikleri; cam elyafına büyük miktarda enerjiyi, kayıtsız olarak depolama ve bırakma olanağı sağlamaktadır. Bu özellik, dinamik yorulma dayanımı, aşınmaya karşı korunması koşulu ile otomobil, kamyon amortisör yayları ve mobilya yayları gibi ürünlerin cam elyafı takviyeli plastik malzemeden yapılabilmesini sağlamaktadır. Cam elyafı takviyeli plastiklerde, cam elyafı takviyesinin yönü önemli bir etkendir ve bu, cam elyafının reçine ile kaplanabilirliğini de etkiler. Dolayısıyla takviye miktarının artışı ile birlikte cam elyafının mukavemeti de artar. Kompozit malzemelerin bu üstün özelliklerine rağmen, yük taşıma kabiliyetinde zamanla azalma görülmektedir. Bu nedenle, tasarım yapılırken uygun bir emniyet faktörü ön görülerek, ani kırılmaların önüne geçilmesi gereklidir. Zamana bağlı olarak mukavemetin azalması, çekme dayanımının başlangıç değerinin 2/3 üne çok kısa sürede düşmesi ve 1/2 sine 50 yıl gibi bir sürede düşmesi şeklinde görülmektedir. 1.2 KOMPOZİT MALZEMELERİN OLUMLU YANLARI Kompozitlerin özgül ağırlıklarını düşük oluşu hafif konstrüksiyonlarda büyük bir avantaj sağlar. Bunun yanında fiber takviyeli kompozit malzemelerin korozyona dayanımı, ısı, ses ve elektik yalıtım sağlamaları da ilgili kullanım alanları için bir üstünlük sağlamaktadır. Kompozit malzemelerin dezavantajlı yanlarını ortadan kaldırmaya yönelik teorik çalışmaların olumlu sonuçlanması halinde kompozit malzemeler, metalik malzemelerin yerini alabileceklerdir. 2

11 Yüksek mukavemet: Kompozitlerin çekme ve eğilme mukavemeti, birçok metalik malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı, kompozitlere istenen yönde ve istenen bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylece malzemeden tasarruf yapılarak, daha hafif ve daha ucuz ürünler elde edilebilir. 3 Hafif oluşu: Kompozitlerin özgül ağırlıklarının 1-2 gr/ cm arasında oluşu, özgül 3 ağırlığı 6-13 gr/ cm arasında değişen metallere göre, daha hafif konstrüksiyonların yapılmasını sağlar. Isıya ve ateşe dayanıklılığı: Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden oluşabilen kompozitlerin ısıya dayanıklılık özelliği, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak tanımaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozitlerin ısıya dayanımı arttırılabilir. Kolay şekillendirilebilme: Büyük ve karmaşık parçalar, tek işlemle bir parça halinde kalıplanabilir. Buda malzeme ve işçilikten kazanç sağlamaktadır. 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 aspiratörleri, tekne ve diğer deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır. Kalıcı renklendirme: Kompozit malzemelerde, kalıplama esnasında reçineye ilave edilebilen pigmentler sayesinde, istenen renk verilebilir. Bu işlem ek bir masraf ve işçilik gerektirmemektedir. Elektriksel özellikler: Uygun malzemelerin seçilmesi ile çok üstün elektriksel özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilebilir. Titreşim sönümleme: Kompozit malzemelerde, süneklik nedeniyle doğal bir titreşim sönümleme ve şok yutabilme yeteneği vardır. Çatlak yürümesi olayı da böylece minimize edilmiş olmaktadır. 3

12 1.3 KOMPOZİT MALZEMELERİN OLUMSUZ YANLARI Oluştuğu bir malzemenin kötü bir özelliği direk olarak kompozit malzemeyi de olumsuz etkilemektedir. Örneğin matris yüksek sıcaklıklarda çalışamıyorsa dolayısı ile onun oluşturduğu kompozite de bu olumsuzluktan etkilenir ve yükseksek sıcaklıklarda çalışamaz. Kompozit malzemelerde şu tür dezavantajlar görülmektedir; Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri, malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz yönde etkiler. Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik özellik gösterirler. Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez. İyi tanımlanmamış parametreler varsa, bundan dolayı ham malzeme açısından en yüksek imalat verimliliğine ulaşılamaz. 1.4 KOMPOZİT MALZEMELERİN İMALAT YÖNTEMLERİ Cam elyaf takviyeli kompozitlerin oluşumunda kullanılan cam elyaf (cam lifi), tüm cam elyaf takviyeli kompozitlerin imalinde uygun çeşitlerde mevcuttur. Keçe halindeki cam elyafı, el yatırması metodu ile kompozit malzeme üretimi için ışık geçiren levha üretiminde kullanılır. Fitil halindeki cam elyafı ise, püskürtme metodu ile veya elyaf sarma metodunda kullanılan fitil dokuma üretimi için kullanılır. Cam elyaf takviyeli kompozite, plastik özelliğini, çeşitli yöntemlerle cam elyafına emdirilen ana faz kazandırır. Burada kullanılan ana faz, polyesterdir. Polyester bir termoset plastiktir. 4

13 Polyester kimyasal reaksiyona girerek, polimerizasyon yoluyla sert, çözülmeyen ve ergimeyen bir madde haline dönüşür. Aldığı biçim, daha sonra ısıyla değiştirilemez. Polyesterlerin cam elyafı ile takviye edilmesi yoluyla, üstün plastik, kimyasal ve elektriksel özelliklerine, cam elyafının üstün mekanik dayanımı eklenir. Böylece, kolay şekil alabilmesinden ısıya dayanımına, ışık geçirgenliğinden kimyasal etkenlere dayanımına değin birçok özelliklerine sahip olan yepyeni bir malzeme, sanayinin çeşitli dallarına hizmet girmektedir. Bu, mekanik dayanımı çeliği bile aratmayan, üretimde olsun, kullanımsa olsun, diğer malzemelere oranla birçok kolaylıklar sağlayan çağdaş bir malzemedir. Cam elyaf takviyeli kompozit malzeme elde etmek için yapılan işleme, yani cam elyafın, polyester reçinesiyle birleştirilmesine kalıplama adı verilmektedir. Bu işlem değişik imalat yöntemleriyle yapılabilir. Elde edilecek ürünün özellikleri ve üretim miktarına göre çeşitli kalıplama metotlarından biri seçilebilir. 1.5 KOMPOZİT TÜRLERİ VE SINIFLANDIRILMASI Kompozit malzemeleri, yapılarını oluşturan malzemeleri ve yapı bileşenlerinin şekillerine göre iki şekilde sınıflandırmak mümkündür. Matris malzemesinin türüne göre plastik kompozitler, metalik kompozitler, seramik kompozitler, v.b bir gruplandırma yapabildiği gibi yapı bileşenlerinin şekillerine göre de partikül esaslı kompozitler, lamel esaslı, fiber esaslı kompozitler, dolgulu (kafes) kompozitler, tabaka yapılı kompozitler şeklinde sınıflandırılır Yapılarını oluşturan malzemeye göre: Plastik plastik kompozitler: Fiber olarak kullanılan plastik, yük taşıyıcı bir özelliğe sahip iken, matris olarak kullanılan plastik, esneklik verici, darbe emici ya da istenen amaca göre kullanılan plastik özelliğine sahip olmaktadır. Kullanılabilecek plastik türleri de iki sınıfta incelenebilir: 5

14 Termoplastikler: Bu tür plastikler, ısıtıldıklarında yumuşar ve şekillendirildikten sonra soğutulduğunda sertleşir. Bu işlem sırasında plastiğin mikro yapısında herhangi bir değişiklik söz konusu değildir. Genellikle 5-50 C arasındaki sıcaklıklarda kullanılabilirler. Bu gruba giren plastik olarak; naylon, polietilen, karbon florür, akrilikler, selülozikler, viniller sayılabilir. Termoset Plastikler: Bu tip plastiklerde ise ısıtılıp şekillendirildikten sonra soğutulduklarında artık mikro yapıda oluşan değişim nedeniyle eski yapıya dönüşüm mümkün olmaktadır. Bu gruba giren belli başlı plastikler ise; polyesterler, epoksiler, alkitler, aminler olarak verilebilir Plastik metal kompozitler: Endüstride en çok kullanılan bir tür metal olan metal fiber takviyeli plastikten oluşan kompozitler oldukça mukavemetli ve hafif bir ürün olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu kompozitler, metal fiberlerin (bakır, bronz, alüminyum, çelik) polietilen ve polipropilen plastiklerini takviyelendirilmesi amacıyla elde edilmekte kullanılmaktadır. Özellikle deformasyon yönünden takviyelendirilme yaygın olarak kullanılmakta ve iyi bir verim alınmaktadır Plastik cam elyaflı kompozitler: İsteğe göre termoplastikler veya termoset plastikler oluşan matris ve cam liflerinin uygun kompozisyonlarından üretilmektedir. Mekanik ve fiziksel özellikleri nedeniyle cam lifler birçok durumda metal, asbest, sentetik elyaf ve pamuk ipliği gibi liflere tercih edilebilirler. Ancak cam elyaflı kompozitler, büyük kuvvetleri iletmelerine rağmen camın kırılgan olmasından dolayı çok küçük dirençlidirler. 6

15 Bu tür malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, kullanılan plastik reçineler uygun seçilerek, arzu edilen şekle sokulabilir. Plastik reçineler de daha önce belirtildiği gibi termoplastik ve termoset türünde olmaktadır. Termoset plastikler, fiberlerin de düzgün uyumu ile yüksek mukavemete ulaşabilirler. Cam elyaf takviyeleri ile en çok kullanılan plastik reçineler, poliesterlerdir Plastik-köpük kompozitler: Bu tür kompozitlerde plastik, fiber olarak görev yapmakta, köpük ise matris konumunda olmaktadır. Köpükler, hücreli yapıya sahip, düşük yoğunlukta, gözenekli ve doğal halde bulunduğu gibi, büyük bir kısmı sentetik olarak imal edilmiş hafif maddelerdir. Köpük hücre yapısına göre sert, kırılgan, yumuşak ya da elastik olabilmektedir Metal matrisli kompozitler: Metallerin ve metal alaşımlarının birçoğu, yüksek sıcaklıkta bazı özellikleri sağlamalarına rağmen kırılgan olmaktadırlar. Fakat metalik fiberler ile takviye edilmiş metal matrisli kompozitler, her iki fazın uyumlu çalışması ile yüksek sıcaklıkta da yüksek mukavemet özelliklerini vermektedirler. Bakır ve Alüminyum matrisli Wolfram veya Molibden fiberli kompozitler ve Al-Cu kompoziti, bize bu kompozisyonu veren en iyi örneklerdir. Bu tip kompozitler, matrisin özelliklerini iyileştirdiği gibi bu özelliklere daha ekonomik olarak ulaşmasını sağlamaktadır. Bu metallerde metal matris içine gömülen ikinci faz, sürekli lifler şeklinde olabildiği gibi, gelişigüzel olarak dağıtılmış küçük parçalar halinde de olabilmektedirler. 7

16 Seramik kompozitler: Metal veya metal olmayan malzemelerin birleşimlerinden oluşan seramik kompozitler, yüksek sıcaklıklara karşı çok iyi dayanım göstermekle birlikte, rijit ve gevrek bir yapıya sahiptirler. Ayrıca elektriksel olarak çok iyi bir yalıtkanlık özelliği de gösterirler Yapı bileşenlerinin şekillerine göre: Partikül esaslı kompozitler: Rijitlik ve mukavemette artış sağlayan küçük granül dolgu maddesi ilavesi ile şekillendirilir. Partikül kompozitler, bir veya iki boyutlu makroskobik partiküllerin veya sıfır boyutlu makroskobik partiküllerin oluşturdukları malzemelerdir. Makroskobik veya mikroskobik boyutlu partiküller kompozit malzeme özelliklerini farklı şekilde etkilerler. Partikül takviyeli kompozitler fiber ve pul kompozitlerden ayırt eden karakteristik özellikleri, partiküllerin matris içinde tamamen rastgele dağılması ve bu nedenle malzemenin izotropik özellik göstermemesidir. Partikül esaslı kompozitlerin maliyeti düşük ve rijitliği de oldukça iyidir Lamel esaslı kompozitler: Yüksek yük taşıma kabiliyeti olan büyük uzunluk/çap oranında dolgu maddesi ilave edilerek üretilir. Matris içinde yer alan pulların konsantrasyonu düşük olabileceği gibi birbiri ile temas etmelerini sağlayacak derecede yüksek değerlerde olabilirler. Pul esaslı sistemin maliyeti biraz daha fazla, ancak mukavemet özellikleri iyidir Fiber esaslı kompozitler: Birçok özelliklerde artış sağlayan, yüksek etkinliği olan liflerin ilavesiyle elde edilir. Mühendislikte kullanılan malzemelerin pek çoğu fiber şeklinde üretildiklerinde mukavemet ve rijitlikleri kütle hallerindeki değerlerinden çok üstünde olabilmektedirler. Örneğin karbon fiberlerin çekme mukavemeti kütle halindeki grafitten elli kat rijitliği üç kat 8

17 daha yüksektir. Fiberlerin bu özelliklerinin fark edilmesi ile fiber kompozitlerin üretilmesi süreci başlamıştır. Günümüzdeki düşük performanslı ev eşyalarından roket motorlarına değin kullanım alanı bulan malzemeler olmuşlardır. Fiberler, yapı içerisinde kesintisiz uzayan sürekli fiberler veya uzun fiberlerin kesilmesiyle elde edilen süreksiz fiberler veya elyaflar şeklinde olabilirler. Fiber matris kompozitlerinin mühendislik performansını etkileyen en önemli faktörler; Fiberlerin şekli, uzunluğu, yönlenmesi, matrisin mekanik özellikleri ve fiber matris ara yüzey özellikleridir. Fiberler dairesel olduğu gibi nadiren dikdörtgen, hekzagonal, poligonal ve içi boş dairesel kesitli olabilir. Bu kesitleri bazı artı özellikleri olmakla birlikte (paketleme, yüksek mukavemet v.s) dairesel kesitler maliyeti ve kullanım kolaylığı ile üstünlüğü sağlar. Sürekli fiberlerle çalışmak genelde daha kolay olmakla beraber tasarım serbestliği süreksizlere göre çok daha sınırlıdır. Sürekli fiberler süreksizlerden daha iyi yönlenme göstermelerine karşılık, süreksiz fiberlerin kullanılması daha pratik sonuçlar vermektedir Dolgu kompozitler: Üç boyutlu sürekli bir matris malzemesinin yine üç boyutlu dolgu maddesi ile doldurulması ile oluşan malzemelerdir. Matris çeşitli geometrik şekilleri sahip bir iskelet veya şebeke yapısındadır. Düzgün petekler, hücreler veya süngere benzeyen gözenekli yapılar arasında metalik, organik veya seramik esaslı dolgu maddeleri yer alabilir. Optimum özelliklere sahip kompozitlerin üretimi için birbiri içinde çözünmeyen, kimyasal reaksiyon vermeyen bileşenlerin seçilmesi gerekir. 9

18 Tabaka yapılı kompozitler: Farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur. Çok değişik kombinasyonlarla tabakalaşmış kompozitlerin üretimi mümkündür. Korozyon direnci zayıf metaller üzerine, daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla korozyon özelliğinin, yumuşak malzemelerin sert malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma direncinin, farklı fiber yönlenmesine sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle çok yönlü yük taşıma özelliğinin geliştirilmesi mümkün olmuştur. 1.6 KOMPOZİT TEKNOLOJİSİNİN GELİŞİMİ Kompozit malzemelerin bilinen en eski ve en geniş kullanım alanı, inşaat sektörüdür. Saman ile liflendirilmiş çamurdan yapılmış duvarlar ilk kompozit malzeme örneklerindendir. Sonraları taş, kum, kireç, demir ve çimento ile oluşturulan kompozit malzeme evlerimizi oluşturmaktadır. Otoyollar, asfalt ve çakıl taşı karışımı ile daha lineer, dayanımlı bir duruma getirilmiştir. Teknoloji gelişimine paralel olarak elektrik enerjisi naklinde kompozit malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. İyi bir ilkten olan bakır fiberler ile hafif metal olan alüminyum matris kullanılarak, enerji nakli daha verimli bir hale getirilmiştir. Selüloz ve reçineden oluşan kâğıt ise, yaşamımızın her alanında eşsiz bir kullanım aracı olarak bilimin ve insanlığın hizmetine sunulmuştur. Deri ve bez parçalarından sonra kullanıma sunulan kâğıt, bilimsel çalışmaların, sanatsal olayların, hatta toplumsal kültürlerin belgelenmesinde ve gelecek nesillere ulaştırılmasında en önemli araç olmuştur. Kompozitler her çağda geniş kullanım aracı bulmuştur ve sürekli gelişmektedir. 10

19 1.7 BASINÇLI KAPLARDA MEYDANA GELEN GERİLMELER Basınçlı kaplar yüksek sızdırmazlık özelliği gereken tank ve depolardır. (TSE) ye göre basınçlı kap, Pa ve daha yüksek basınçlı sıvı ve gazların üretiminde, taşınmasında ya da depolanmasında kullanılan küre, silindir biçimli veya küre, silindir ya da koni biçimli hacimlerin birleştirilmesinde oluşan atmosfere kapalı kaplardır. İnce cidarlı basınç kapları, düzlem gerilme analizinin önemli bir uygulama alanını teşkil eder. Bu kapların cidarlarının eğilme mukavemeti küçük olduğundan, bir cidar parçasına tesir eden iç kuvvetlerin kap yüzeyine teğet olarak tesir ettiği kabul edilebilir. İç yarıçapı r ve cidar kalınlığı t olan ve basınçlı bir akışkan taşıyan silindirik bir basınç kabını ele alalım.(şekil 1.7.1). Kenarları sırasıyla silindirik eksenine paralel ve dik olan küçük bir elemanın kenarlarına tesir eden gerilmeleri tayin etmek istiyoruz. Söz konusu kabın ve içindeki akışkanın silindir ek- senine göre simetrik olması nedeniyle, küçük elemanın kenarlarına herhangi bir kayma gerilmesinin tesir etmeyeceği açıkça bilinmektedir. Bu nedenle Şekil de σ 1 ve σ 2 asal gerilmeleridir. Bir fıçının elemanlarını bir arada tutan çemberde meydana gelen gerilmelere benzemesi nedeniyle σ 1 gerilmesine radyal gerilme ve σ 2 gerilmesine de eksenel gerilme adı verilir. Şekil Şekil

20 σ 1 radyal gerilmeleri tayin etmek için, kabın içindeki akışkanla beraber, xy düzlemi ve aralarında Δx uzaklığı bulunan ve yz düzlemine paralel olan iki düzlemle sınırlanmış bir parçasını ayırırız. (Şekil 1.7.2). Bu yolla elde edilen serbest cisim üzerine, z doğrultusunda tesir eden kuvvetler, cidar kesitlerine tesir eden σ 1 ΔA iç kuvveti ile akışkan yüzeyine tesir eden basınç kuvveti p da dan ibarettir. Burada p, barometre basıncına yani iç basıncın atmosferik basınçtan farkına eşittir. İç kuvvetlerin bileşkesi σ 1 Δ Aσ 1 ile cidar en kesit alanı 2t Δx nin çarpımına ve basınç kuvvetinin bileşkesi pda, p ile 2r Δx in çarpımına eşittir. ΣF z =0 denge denklemini yazarak aşağıdaki ifadeleri elde ederiz. ΣF z =0 ; σ 1. ( 2t Δx ) - p.( 2r Δx ) = 0 Bu ifadeyi radyal gerilme için çözerek, σ 1 = p. r t (1.7.1) Eksenel σ 2 gerilmesini tayin etmek için, x eksenine dik bir kesit geçireceğiz ve kabın solda kalan parçasının içindeki akışkanla birlikte, serbest cismini ele alacağız.(şekil 1.7.3). Bu serbest cisim üzerine tesir eden kuvvetler, cidar kesitine tesir eden σ 2 da kuvveti ile akışkan kesitine tesir eden p da basınç kuvvetidir. Akışkan kesit alanının πr 2 olduğu ve cidar kesit alanının silindir çevresi 2πr ile cidar kalınlığı t nin çarpımıyla elde edilebileceği, bilindiğine göre, denge denklemini yazabiliriz. ΣF z =0 ; σ 2. ( 2πrt ) - p.( πr 2 ) = 0 Denklemin б 2 için çözümünden aşağıdaki ifadeyi buluruz. σ 2 = p. r 2t (1.7.2) Denklem (1.7.1) ve (1.7.2) den, radyal gerilme б 1 in eksenel gerilme б 2 nin iki katı olduğunu söyleyebiliriz; σ 1 = 2. σ 2 (1.7.3) 12

21 Şekil Kompozit malzemeden yapılmış bir basınçlı tüp içinse; 1 - Ucu açık basınçlı bir tüp için lifler 90º sarım açısıyla sarıldıkları zaman en yüksek mukavemet değerine sahiptirler. 2 Kapalı silindirler içinse, bütün yük lifler tarafından taşınıyor kabul ederek; σ 1 = б f. cos 2 Ө σ 2 = б f. sin 2 Ө Daha önce bulduğumuz eksenel gerilme ile radyal gerilme arasındaki bağıntıdan, denklemleri eşitlersek liflerin hangi açıda sarıldığı durumda maksimum mukavemet değerinde olacaklarını bulmuş oluruz; 2 s s f. sin q 2 = = tan q 2 s s.cos q 2 = 1 f 2 Buradan; Ө = 55º olarak bulunur. 13

22 BÖLÜM İKİ TEST ÜNİTESİ 2. CİHAZI OLUŞTURAN PARÇALAR 2.1 Basınç Ünitesi Kompozit boruları patlatma cihazı hidrolik basınç sağlayarak kompozit borularda statik veya dinamik olarak yorulma ölçümleri yaparak kompozitler hakkında sonuçlar elde etmemize yaramaktadır. Cihazımız şekil 2.1 görüldüğü üzere bir basınç yağının bulunduğu tankı üzerinde içindeki dişli veya pistonlu pompayı çalıştıran bir elektrikli motor bulunmaktadır. Cihazın üzerinde bulunan direction valf (şekil 2.2) vasıtasıyla dinamik (yorulma deneylerinde) analizlerde borulara üst ve alt basınçları göndermeye yaramaktadır. Buradan üç yoldan cihaza basınç uygulanmaktadır, üç farklı yolun olması bir seferde üç deney numunesinin dinamik testini yapılmasıdır. Statik ölçümlerde ise yalnız borulara basınç artımı yapılır. Şekil 2.1 Hidrolik yağ ile dolu olan tank ve elektrik motoru 14

23 Şekil 2.2 Direction valf ve basıncı ileten borular 2.2 Panel Hidrolik güç ünitesi plc (programlanabilir lojik kontrolör ) kontrollüdür. Plc endüstriyel otomasyon sistemlerinin kumanda ve kontrol devrelerini gerçeklemeye uygun yapıda giriş-çıkış birimleri ve iletişim arabirimleri ile donatılmış kontrol yapısına uygun bir sistem programı altında çalışan bir endüstriyel bilgisayardır. En basit biçimde; herhangi bir sistemin öngörülen değerlerde çalışmasını sağlayan uygulanabilir kontrol işaretlerinin üretilmesi olarak tanımlanabilir. Günümüzde kontrol işaretlerinin üretilmesi için genellikle sayısal kontrolörler kullanılmaktadır. Sayısal kontrolör, belirli bir kontrol algoritmasına göre sayısal verileri işleyerek bir sayısal kontrol işareti üretir. Sayısal kontrolörde işlenen sayısal veriler ve üretilen sayısal verilerin sisteme uygulanması analog giriş ve çıkış birimleri ile sağlanır. Analog giriş birimi; analog işareti sayısal işarete, analog çıkış birimi ise sayısal işareti analog işarete dönüştürür. Sayısal kontrolörler belirli örnekleme zamanları için tasarlandığından, işaretlerin dönüştürülmesi ve işlenmesi belirli örnekleme zamanlarında meydana gelmelidir. 15

24 Bir PLC nin bu işlevleri sağlaması için aşağıdaki özellikleri taşıması gerekmektedir; 1- Sayısal kontrolöre ilişkin kontrol algoritmasının gerçeklenmesi için toplama, çarpma, bölme gibi aritmetik işlem komutları bulunmalıdır. Gerçek sayılar üzerinde aritmetik işlem yapan komutları bulunan PLC ler ile kontrol algoritmaları daha kolay programlanabilir. 2- Analog giriş ve çıkış birimleri bulunmalı ya da eklenebilmelidir. 3- Kontrol algoritmasının öngörülen örnekleme zamanlarında işletilmesi için gerekli zamana bağlı çalışan kesme altprogramları bulunmalıdır. Statik yükleme deneylerin de kontrolörün yapması gereken pek fazla işlem yoktur, fakat dinamik yani yorulma deneylerinde sistemimiz belirli alt ve üst değer basınçları ile yükleme yapılacaktır. Alt basınç değeri üst basınç değerinin yüzde beşi kadar olmalıdır. Üst basınç değeri de patlatma basıncını yüzde 70 den başlayarak en az yüzde 30 kadar inilerek alınmalıdır. Örnek olarak patlatma basıncı 100 bar ise üst basınç değeri 70 bar alt basınç değeri 3.5 bar alınmalıdır. Kalibrasyon için, üst basınç; çalışılacak üst basınç değerinin 5-10 bar üzerinde ayarlanmalıdır. Emniyet valfi (ana basınç) basınç değeri, plc de ayarlanan üst basınç değerine ulaşıncaya kadar, yavaş yavaş arttırarak, manometreden basınç artışı gözlenir. Ayarlanan üst basınç değerine ulaşılınca,(basınç transmiteri (şekil 2.3) algılar algılamaz), selenoid valf konum değiştirerek çevrim başlayacaktır. Böylece kalibrasyon işlemi tamamlanmış olacaktır. Daha sonra plc den gerçek çalışacağımız üst basınç değeri ayarlanır. Alt basınç (tank basıncı) değeride, dönüş tahliye valfi ayarlanarak, benzer şekilde kalibre edilir. Plc ünitesi dakikada 25 çevrim yapacak şekilde programlanmıştır yani saatte 1500 çevrim. Hidrolik güç ünitesi, aynı anda üç numune ile çalışmaya imkan verecek şekilde tasarlanmıştır. Her bir çıkışa tamamen kapatma görevi yapacak birer adet kısma valfi de konmuştur. Numunelerden biri patladığı anda, sistemdeki basınç, alt basınç değerinin altında bir değere ayarlanan durdurma basıncı (plc de) değerine kadar düştüğü anda, plc stop komutu ile beraber ses ikazı verecektir, bunun üzerine o numunenin kısma valfi tamamen kapatılarak, kalınan yerden diğer numunelerin çevrimine devam edilecektir. 16

25 Şekil 2.3 Basınç Transmiteri Şekil 2.4 PLC paneli Şekil 2.5 PLC iç görünüş 17

26 2.3 Aparatlar Deneyde kullanılan silindirik tüp glass / epoxy dir. Boyutları şekil 2.5 de gösterilmiştir. Şekil 2.6 Deney tüpünün boyutları L=400 mm, D=110 mm, a=20 mm, b=6 mm, c=15 mm, d=100 mm, e=60 mm, t=1.6 mm, θ=sarım açısı Deney tüpüne hidrolik test ünitesinden gelen basıncı aktarmakta kullanılan aparatlar şekil 2.6 gösterilmiştir. Şekil 2.7 Bağlama aparatı 18

27 A= Kompozit boru B,D=Sıkıştırma aparatları C=Kauçuk E=Sistem kilitleme aparatları F=Flanş G=Sıkma cıvatası Şekil 2.8 Bağlama aparatı Şekil 2.9 Bağlama aparatı Şekil 2.10 Deney tüpünün bağlanmış konumu 19

28 Şekil 2.11 Koruyucu test kutusu Şekil 2.12 PLC kontrollü hidrolik test ünitesi 20

29 BÖLÜM ÜÇ ANALİZ 3. SİLİNDİRİK TÜPÜN ANSYS PROGRAMI İLE ANALİZİ 3.1 GİRİŞ Bu bölümde 4 kabakalı [45º], [55º], [60º], [75º], ve [88º] sarımlı simetrik kompozit borulara hidrolik test ünitesiyle iç basınç uygulayarak gerilme analizi yapılacaktır. Malzemeyle ilgili değerler çalışma boyunca gösterilecek olup, resimler sayesinde söz konusu yazılımın projeyi inceleyenler tarafından kolaylıkla anlaşılması sağlanacaktır. Burada yapacağımız analizde termal şartlarda deneyini yaptığımız tüplerin ansyste programında analizini yapacağız. 3.2 ANALİZ Şekil 3.1 Analiz türünün seçimi 21

30 Yapacağımız analiz türünü programa girdikten sonra preferencesden belirliyorum. Burada yaptığımız analizde termal koşullarda yaptığımız deneylerin sonuçlarını karşılaştıracağız. Şekil 3.2 Eleman tipini seçimi Burada eleman tipini Solid layered - 46 seçiyoruz. Şekil 3.3 Tabaka sayısın, kalınlık ve sarım açısının belirlenmesi Eleman tipini seçtikten sonra Real Constant ta girerek malzemenin tabaka sayısını belirledikten sonra malzemeye ait et kalınlıkları ve sarım açıları değerlerini gireriz. 22

31 Şekil 3.4 Malzeme özelliklerin girilmesi Gerilme analizleri için en önemli veriler malzemenin öz değerleridir. Bu değerleri girmek için Material Models ten önce malzeme cinsi Ortotropic seçildikten çıkan ekranda malzemenin özdeğerleri girilir. Şekil 3.5 Termal genleşme katsayısını girilmesi 23

32 Şekil 3.6 Çekme, basma ve kayma değerlerinin girilmesi Daha sonra malzeme fiber doğrultusundaki çekme, basma ve kayma mukavemet değerlerini Failure Criteria seçeneğinden gireriz. Şekil 3.7 Modellenmesi için verilen koordinatlar 24

33 Modeling kısmından create block tan by dimensionsdan değerler girilir. Şekil 3.8 Modelin mesh yapılması Mesh yapılırken mesh attributes tan all volumes seçiyoruz. Sonra meshing mesh tool dan lines set ten üç kenarı seçerek ok tuşuna basılır. Size element edge lenght ten 10 değerini giriyoruz. Shape den hex ve sweep seçiyoruz ve ok tuşuna basılır. PlotCtrls den style seçilir ardından size and shape display of element on seçilerek işlem yapılır. Mashleme işlemi bittikten sonra yüklemeleri yaparız, radyal gerilme б 1 in eksenel gerilme б 2 nin iki katı olduğunu birinci bölümde açıklanmıştı, buradan bir tarafa diğerinin iki katı gerilme verilerek yükleme işlemi tamamlanır. Ardından yükleme yerinden termal sıcaklık değerini girerek işlemi tamamlayıp çözüm kısmına geliyoruz. 25

34 Çözüm yapıldıktan sonra General Postpruduction seçeneğinden Contour Plot ve ondan sonrada Nodal Solution seçilir. Çıkan ekranda Failure Criteria seçeneğinin altındaki Tsai-Wu Strength Index seçilir ve sonuçlar görüntülenir. Şekil 3.9 Tsai-Wu criteria 26

35 Şekil 3.10 Katmanların ve sarım açılarının görünümü Şekil 3.11 Çözüm sonucu Tsai-Wu kriterine göre sonucu Tsai-Wu kriterin de sonucun yaklaşık bir olmasını sağlayana kadar yükleme değerleri veriyoruz. Sonuçta bulunan değeri birinci bölümdeki denkleminde yerine koyarak kompozit borunun termal ortamda gerçekleştirdiğimiz analizindeki patlama basıncını buluruz. 27

36 BÖLÜM DÖRT SONUÇ 4. DENEYSEL VE ANSYS SONUÇLARI 4.1 DENEYSEL YOLLA ELDE EDİLEN SONUÇLAR ORTALAMA DEĞERLER [BAR] SARIM AÇILARI( O ) SICAKLIK( O C) [±45 O ] 2 [±55 O ] 2 [60 O ] 2 [75 O ] 2 [88 O ] ,5 83, , , , ,5 Tablo 4.1 Deneysel yolla elde edilen sonuçlar Laboratuar ortamında yaptığımız bu deneylerde, farklı sıcaklıklardaki su ile dolu kabın içerisine koyduğumuz deney numunesini hidrolik test ünitesine bağlayarak hasar noktasına gelene kadar basınç vererek termal şartlarda patlama basıncın deneysel olarak bulmuş oluruz. 4.2 ANSYS PROGRAMI İLE ELDE EDİLEN SONUÇLAR ORTALAMA DEĞERLER[BAR] SARIM AÇILARI( O ) SICAKLIKLAR( O C) [±45 O ] 2 [±55 O ] 2 [60 O ] 2 [75 O ] 2 [88 O ] Tablo 4.2 ANSYS programı ile elde edilen sonuçlar 28

37 Deneysel olarak patlama basınç değerlerini bulduğumuz numunelerin Ansys programı kullanılarak bilgisayar ortamında bulunan değerleri. 4.3 SONUÇ Deneysel yolla ve ANSYS programı ile kompozit tüplerimizi patlama basınçlarını inceledik. Sonuçlardan da edindiğimiz bilgilerden deneysel olarak incelediğimiz numunelerin teorik olarak veya bilgisayar destekli çözümlerinden çok farklı olduğu görülmüştür. Bu nedenleri olarak deney sırasında termal sıcaklığın tam olarak deney sonuna kadar aynı kalamaması, sıcaklığın etkisiyle numunedeki aparatların deney numunesine etkisi, kompozit malzemelerin liflerin veya matrislerin imalat sırasında üretim farklılıkları gibi birçok faktörü neden olduğunu düşünebiliriz. Bu yüzden ANSYS gibi analiz işlemlerinde kullanılan bilgisayar paket programlarının yararı bir kez daha görülmektedir. Programda çözüm yaptıktan sonra gerçek deneye geçmeden malzemenin ne kadar dayanım yapacağı ve deney sonuçları hakkında bilgi sahibi olmamıza yardımcı olabilmektedir. Bilgisayar desteği sayesinde eldeki sonuçlar çok daha hızlı ve kesin bir şekilde elimize ulaşmaktadır. Simülasyon teknolojisinin gelişmesi sayesinde gerçek malzemeler üzerinde deney yapmak yerine, çok daha ucuz, kolay ve hızlı bir yöntem olan bilgisayar desteğinin kullanımı çok yaygınlaşmıştır. 29

38 KAYNAKLAR [1] MOAVENİ, S. Finite Element Analysis, Prentice Hall, 1999 [2] SAYMAN, ONUR ve AKSOY, SAMİ Kompozit Malzemeler, Ege Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Yayınları, 1978 [3] ÖNDER, AZİZ. First Failure Pressure Of Compozit Presssure Vessels, Yüksek Lisans tezi, D.E.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007 [4] araştırma sitesi [5] SÜLÜM, MEHMET. Basınçlı Kaplarda Meydana Gelen Gerilmeler, Araştırma Projesi, D.E.Ü, Makina Mühendisliği,