DEU MUH.FAK. MAKİNA MUH.BL. BDM VİZE SINAVI

Transkript

1 DEU MUH.FAK. MAKİNA MUH.BL. BDM VİZE SINAVI BDM açısından yapılabilecek kolaylıkları iki misal vererek açıklayınız. (13P) 2- Bir BDM faaliyetinde birden fazla analiz planladınız. İlk analizin ham sonuçlarını elde ettikten sonra hareket tarzınız nasıl olur? Açıklayınız. (13P) 3- Statik yapısal analiz ne demektir? Sonuçları elde etmek için hangi malzeme özelliklerine ihtiyaç vardır? Plastik bölge eğrisine ne zaman ihtiyaç duyulur? Kısaca açıklayınız. (13P) 4- Tekrarlı yüke maruz bir yapıda, ömür tayini için gerekli malzeme karekteristik eğrisi nedir ve ne anlam ifade eder? Bu eğri analiz programına girilirken nasıl bir yaklaşım gereklidir? Açıklayınız. (13P) 5-48 Puan Resimde, çalıştığınız firma tarafından seri üretimi planlanan içi seramik kaplamalı, dışı metalik kek kalıbı prototipi (ilk örnek ürün) görülmektedir. Seri üretime geçmeden önce bu prototipin ev ortamında gerçek şartlarda denenmesi gerektiğini düşündünüz. Bu kalıbı eve götürerek annenizden bir bu kalıpla bir kek yapmasını istediniz. Kek yaparken annenizi takip ettiniz. Şunları gözlemlediniz: Anneniz keki yaparken dizi film de seyrediyor. Kek hamurunu dışarıda hazırlayıp kalıba döküyor ve fırın sıcaklığını C ye ayarlıyor. Keki fırında en az 40 dakika pişiriyor. Sonra çayı ocağa koyuyor. Fırından çıkardıktan hemen sonra kalıbı mutfak bankosu üzerine koyuyor. En az 15 dakika kalıp soğuduktan sonra keki kalıptan çıkarıp dilimliyor. Çayla birlikte ev halkına ikram ediyor. Bu kek yapma faaliyetini 1 hafta devam ettirdiniz. 1 hafta sonra kek kalıbının yüzeyinde bazı mikro çatlakların oluştuğunu farkettiniz. Bu durumu firma yetkilileriyle paylaştınız. Firma ise sizden bu problemi en az maliyetle çözmenizi istedi. Bu problemi gidermeye yönelik 16 adımlık bir BDM faaliyeti planlayınız. Herbir adımı bu probleme özel olarak kısaca açıklayınız. Gerekiyorsa resimlerle açıklama yapınız. Öncelikle mevcut durumu sanal ortamda elde etmeyi ve sonra bunun üzerine çözüm geliştirmeyi düşününüz. Kalıp yüzeyindeki kabarık kısımları ihmal edebilirsiniz. Prototip üründe seramik ve metal kısımların herbirisi sabit kalınlığa sahip olduğunu kabul ediniz. Aşağıdaki hususları bu faaliyet içinde mutlaka vurgulamalısınız: Analiz tipi a (8), BDM açısından kolaylıklar b (5), Model şekli c (5), Analiz girdileri (malzeme özellikleri d (5), sınırşartları e (5), yükler f (5) ), değerlendirilmesi gereken analiz sonuçları g (5), destekleme şekli h (5), çözüm geliştirme i (5) tarzınız. (herbirisinin üstündeki harfin aynısı cevaplarda da kullanıldı)

2 CEVAPLAR (Cevaplarınızın aşağıdakilerle birebir aynı olması istenmemektedir. Her öğrencinin probleme yaklaşımında ve çözüm geliştirmede farklı görüşleri olabilir. Önemli olan ise yaklaşımın doğru olması, mantık hatası olmaması, eksik bilgi bırakılmamasıdır. Kırmızı ile yazılan kısımlar ise sınav kağıdınızda mutlaka belirtilmesi istenen kısımlardır. Bu kırmızı kısımlar aynı manada benzer cümlelerle ifade edilmelidir. Siyah yazıların aynısı veya aynı anlamdaki benzeri veya alternatif çözümleri sınavda yeterince belirtilmelidir. ) 1- BDM açısından kolaylıklar için aşağıdakilerden 2 tanesi yazılabilir: Yükleme, Geometri, Malzeme ve Sınır Şartları açısından simetrik parçaların yarısı veya çeyreği modellenebilir. Bu sayede eleman ve düğüm sayıları azaltılarak çözüm süresi açısından kazanım sağlanılır. Tencere tabanı gibi problemlerde yine Yükleme, Geometri, Malzeme ve Sınır Şartları açısından bir orta eksene göre dönel simetri sözkonusu ise model iki boyuta indirgenebilir. Eksene göre dönel simetrik kesit alanı sadece modellenebilir. Tekrarlı yüklerde ömür tayini değil de ömrü arttrıcı tedbirler aranıyorsa (Gale problemi gibi) statik analizlerle gerilme analizi yapılması yeterlidir. 3ncü sorunun cevabındaki yaklaşım da BDM açısından bir kolaylıktır. 2- İlk analiz sonuçlarını elde ettiğimizde öncelikle sonuçların mantıklı olup olmadığına bakılmalıdır. Eğer mantıklı ve makul sınırlar içerisinde değilse (örneğin gerilmeler 5000 MPa çıktıysa) analizlerimizde bir hata yaptığımız kanaatına varılarak, bu hata araştırılır, analiz girdilerimiz kontrol edilir, hata düzeltilerek analiz tekrar edilir. Sonuçlar mantıklı çıkana kadar bu kontrol devam eder. İlk sonuçları mantıklı sınırlar içerisinde bulmamız sonuçların doğru olduğu anlamına gelmez. sonuçlar deneylerle, teorik hesaplamalarla veya farklı bir yöntemle desteklenmelidir. Elde ettiğimiz bu sonuçlarla analizimizdeki sonuçlar çakışırsa veya birbirlerine çok yakınsa sonuçları desteklemiş oluruz ki bu bizim çalışmamızın güvenilirliğini arttırır. Bundan sonra planlanan diğer analizlere geçilebilir. 3- Durgun haldeki bir sisteme sabit dış yapısal yüklerin (kuvvet, moment, basınç, vb.) uygulandığı ve gerilme ve şekil değiştirmelerin elde edildiği analiz tipine statik yapısal analiz denir. Bu analiz elastik bölge sınırları içerisinde yapılırsa yani yapıda bir kalıcı deformasyon olmuyorsa malzeme özelliği olarak sadece Elastiklik modülü ( E) ve poisson oranı ( v) analizler için yeterlidir. Akma sınırı aşılıp plastik bölgeye geçiliyorsa bu durumda malzeme özelliği olarak ilaveten plastik bölge eğrisinin de tanımlanması gerekir. Önce bir elastik analiz yapıp maksimum gerilmeyi akma gerilmesi ile karşılaştırırsak plastik bölge eğrisinin gerekli olup olmadığını tespit etmiş oluruz. 4- Tekrarlı yüke maruz bir yapıda, ömür tayini için gerekli malzeme karekteristik eğrisi S-N diyagramı ismini verdiğimiz Wöhler eğrisidir. Bu diyagram bize farklı ortalama gerilme değerleri ve gerilme genlikleri için kırılma anına kadar yükün tekrarlanma sayısını vermektedir.

3 Bu eğri analiz programına girilirken şu şekilde bir yaklaşım yapılır: Öncelikle maksimum ve minimum yükler uygulanarak statik 2 ayrı analiz yapılır. Bu analizler bize herbir noktanın ortalama gerilmesini (Sm) verir. Bir noktanın gerçek ömrünü bulabilmek için o noktanın S m değerine karşı gelen S-N eğrisi o noktaya tanımlamak gerekir. Ancak herbir noktanın farklı bir Sm değeri olduğu için herbirisine farklı bir S-N eğrisi tanımlamak imkansızdır. Bu sebeple analizlerde ortalama gerilmesi (S m ) değeri en büyük olan en kritik nokta belirlenir ve bu noktanın S m değerine karşı gelen S-N diyagramı tüm noktalara girilir. Böylece en kritik nokta için gerçek ömür diğer noktalar için gerçektekinden daha düşük ömür bulunur. Ancak diğer noktalar için bulunan ömür 10 6 tekrardan büyükse, gerçek durumdaki ömür hayli hayli büyüktür diye yorum yapılarak bu noktalar için daha emniyetli durum elde edilmiş olur. Örneğin üstteki diyagramda Sm 1 değerine karşı gelen 1 nolu eğri tüm noktalara girilir. 5-Soru 1-3. Adımları: Soruda belirtilen bilgilerin toplandığı, teknik geziler, inceleme toplantıları gibi faaliyetler yapılır. Sonuçta inceleme şekline ve analiz tipine karar verilmelidir. Bu çalışmada soğuma sırasında banko üzerinde çatlakların oluştuğu kanaatine varılmıştır. Soğuma sürecindeki gerilmelerin çatlaklara sebep olduğu, bu gerilmelerin hesaplanması gerektiği, durumun sanal ortamda görüldükten sonra üzerine çözümler geliştirilmesinin daha doğru olacağı düşünülmüştür. Soğuma sırasında oluşan gerilmeleri ve soğuma sonundaki artık gerilmeleri hesaplamak için zamana Bağlı Isıl Yapısal Analiz a yapılmasına karar verilmiştir. (Sadece ısıl analiz olursa sıcaklık dağılımı elde edilir, Isıl Yapısal Analiz de ise sıcaklık + gerilmeler elde edilebilir.) 4.Adım Temel bilgilerin Gözden Geçirilmesi: Isı transferi, gerilme kavramı, akma kırılma kriterleri konularındaki temel bilgilerimizi hatırlayacak çalışmalar yapılmıştır. 5. Adım BDM açısından yapılabilecek kolaylıklar: Yükleme, sınır şartları, malzeme ve geometrinin düşey eksene göre dönel simetrik olması sebebiyle 3 boyutlu model 2 boyutta incelenebilir. b (Tencere taban probleminde olduğu gibi). 6.Adım: Geometrik Model, dönel simetriye sahip olduğundan en basit olarak 2 boyutta kurulabilir. Buna göre model şekli, olması gereken malzemeler alttaki resimde belirtilmiştir. Geometrik Model c, sınır şartları ve ısıl yükleme

4 7.Adım: Meshing: serbestlik derecesinde ux, uy, uz, rotx, roty, rotz, temp. olan elemanlarla mesh işlemi yapılır. 8. Adım: Analiz Girdilieri: a-) Malzeme Özellikleri d : Modeldeki tüm malzemelerin (kek, metal, porselen ve mermerin) Elastiklik modülleri (E), poisson oranları (, ısıl genleşme katsıyaları (ısı iletim katsıyları (k), yoğunlukları (ısıl kapasiteleri (c p ) sıcaklığa bağlı olarak sisteme girilmiştir. Özellikleri belirgin olmadığından Kek için bazı kabuller yapılmıştır. b-) Sınır şartları e : Mutfak bankosu mermeri alttan ankastre yapılmıştır. Hava ile temas eden kısımlara taşınım katsayısı (h) girilmiştir. c-) Yükler f : Ortam ve mermerin sıcaklığı 20 C, diğer malzemeler fırından çıktığı andaki sıcaklığı 180 C alınmıştır. Kalıbı mermere koyuncaya kadar geçen kısa süre ve mermerin sıcaklığının biraz daha düşük olma ihtimali ihmal edilmiştir. 9.Adım: Program ayarları: Toplam Analiz süresi 15x60 = 900 sn, analiz adımı (step): 10 sn olarak ayarlanmıştır. Bu, 0.sn den başla, 10 sn aralıklarla sonuçları ver, 900.sn ye kadar devam et anlamına gelir. 10.Adım: Solve: Çözüm Analiz programa otomatik olarak yaptırılır. 11. Adım : İlk analizlerin değerlendirilmesi: İlk analizlerde önce sonuçların mantıklı olup olmadığına bakılır. Bu gibi analizlerde bu yargılamayı en kolay sıcaklık dağılımından g yapabiliriz. Daha sonra gerilmelere göz atmak gerekir. Sünek malzeme olan Metal için Von-mises g, gevrek malzeme olan porselen için ise maksimum asal gerilmeleri g incelemek doğru olacaktır. Mermer ve kek için gerilmeleri incelemeye gerek yoktur. Sonuçlar mantıksız ise mesela maksimum sıcaklık 200 C çıkarsa (180 C den büyük olamaz) veya ara steplerde malzemelerde sıcaklık düşmesi yoksa veya mermerde bir sıcaklık artışı olmuyorsa veya gerilmeler aşırı yüksek çıkıyorsa, analizlerde bir hata yaptığımız anlamına gelir. Hata araştırılır. Sonuçlar mantıklı çıkana kadar bu süreç devam ettirilir. İlk analiz sonuçlar mantıklı çıkmış ve doğruluğunu desteklemek için deneysel ölçümlerle bazı noktaların soğuma eğrisinin elde edilmiştir. h (Dental kaplama örneğindeki gibi). Termokupllar vasıtasıyla çeşitli noktaların soğuma diyagramları çıkarılmış ve analizlerden elde edilen soğuma eğrileriyle karşılaştırılmıştır. Analizlerdeki soğuma eğrileri deneysel soğuma eğrilerine daha fazla yaklaştırmak için taşınım katsayılarında bazı revizyonlar yapılmıştır. Soğuma eğrilerinin çakıştırılması sayesinde soğuma ortamı analizlerde gerçeğe çok yakın yansıtılmış ve sonuçlar bu açıdan önemli bir şekilde desteklenmiştir h. 12. Adım: Planlanan diğer analizlerin yapılması: Farklı bir analiz planlanmadığı için bu adımda bir işlem yapılmadı. 13. Adım: Analiz Raporu: 5-12 adımlarındaki faaliyetleri içeren bir rapor hazırlandı.

5 14.Adım: Çözüm Geliştirme i (Aşağıdaki çözümlerden 1-2 tanesi veya farklı alternatifler yazılabilir) Gerilme yığılmalarının olduğu bölgelerde geometrik düzeltmeler, yuvarlatmalar ve malzeme takviyesi yapılarak gerilmeler düşürülmüştür. i Gerilmelerin düşürülmesi için metal veya porselen kalınlıkları arttırılmıştır. i Genleşme katsayıları birbirine daha yakın metal-porselen ikilisi seçilmiştir. i Çatlakların azaltılmasında soğuma hızının düşürülmesi etkili olsa bile bunu keki yapan ev hanımlarından istemek gerekir ki bu uygulanabilir bir çözüm değildir. i 15. Adım: Yargılar ve Bilime Katkı (Aşağıdakine benzer genel birkaç cümle yazılabilir.) Bu çalışma bize bir kez daha göstermiştir ki, birden fazla malzemeden oluşan yapıların soğumasında çatlak oluşumunda en önemli etken ısıl genleşme katsayıları arasındaki farktır. 16. Geliştirme ve Yargı Raporu: adımlardaki faaliyetler ve bulgular bir rapor halinde hazırlanmıştır.