KAFES ANAKİRİŞLİ PORTAL KREN ELEMANLARININ SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE İNCELENMESİ

Transkript

1 İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi KAFES ANAKİRİŞLİ PORTAL KREN ELEMANLARININ SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE İNCELENMESİ İsmail GERDEMELİ

2 Tasarım Esasları Özelliklerine göre geniş bir tasarım esaslarına sahipler: Krenin hareketi Krenin çalışma şartları Kaldıracağı yük ve yüke bağlı parçanın boyutları Kren konumu, Geometrik özellikler, Çevresel koşullar. 2

3 Kren Tasarım Yöntemleri DIN-Tashenbuch 44 & 185 F.E.M Rules Tasarım yöntemlerinde ampirik yaklaşımlar önerir. Grafikler tecrübelerden elde edildi. Geniş bir kabul gören tasarım prosedürüdür. 3

4 Tersane Portal Kren Elemanları ve Anakiriş Rijit Bacak Kule Montaj Kutusu Pantolon Mafsal Bacak M.Bacak Üst Kutusu Bacaklar Gergi Kirişleri Yürüyüş Takımları Boji Küçük Denge Kirişi Büyük Denge Kirişi Montajı 4

5 Anakiriş Kutu Kiriş R.B.Üst Kutusu A. Mafsal Kutusu 5

6 Rijit Bacak Kule Montaj Kutusu Pantolon 6

7 Mafsal Bacak M. Bacak Üst Kutusu Bacaklar 7

8 Boji Küçük Denge Kirişi Büyük Denge Kirişi Yürüyüş Takımları 8

9 Boji Boji Teker 9

10 Küçük Denge Kirişi Her bacakta 4 adet Bojilerle B.Denge Kirişi arasına montajlanır. Bojilerden gelen düzensiz düşey hareketler büyük denge kirişine aktarılır. 10

11 Büyük Denge Kirişi Her bacakta 2 adet bulunur K.Denge Kirişle Gergi Kirişi arasına montajlanır 11

12 M.Bacak Gergi Kirişi R.Bacak Gergi Kirişi Gergi Kirişi 12

13 Kren Parçaların İmalatı Saclardan imalat: Tekerler ve makaralar dışındaki tüm parçalar Döküm ve Talaşlı imalat: Tekerler ve Makaralar 13

14 Kren Parçaların Montajı Rijit Bacak Montajı Mafsal Bacağın dikilmesi Bacakların halatlarla yere sabitlenir Anakiriş Hidrolik Kriko Yardımıyla kaldırıldı Tüm ekler kaynakla tutturulur 14

15 Rijit Bacak Montajı Rijit Bacak iki parça halinde montajlanır Pantolonlar kaldırılır Kule kaldırılır 15

16 Pantolon Kaldırılması Yardımcı vinçler kullanılır 16

17 Pantolon Kaldırılması 17

18 Halatlarla sabitlenir Pantolon Kaldırılması 18

19 Kulenin Kaldırılması 19

20 Kule Montaj Kutusuna kaynatılır Çevre kaynak dikişi yapılır Kulenin Kaldırılması 20

21 Mafsal Bacak Montajı Mafsal Bacak ın Üst kutu ve Bacaklar yerde montajlanır Gergi Kirişleri ve Yürüyüş Takımları mafsal-perno ile yerde montajlanır Mafsal Bacak ayağa kaldırılır 21

22 Mafsal Bacağın Kaldırılması Yardımcı vinçler kullanılır 22

23 Mafsal Bacağın Kaldırılması 23

24 Mafsal Bacağın Kaldırılması Halatlarla sabitlenir 24

25 Yük Kaldırma Donanımı R.Bacak Gergi Kirişi üzerine monte edilir Her bir vinç bir adet motor-redüktör,tambur ve karşı yatak grubundan oluşur. Yük halatların tambura sarılmasıyla kaldırılır. 25

26 Kren Testi Test yükü saclar ile uygulandı. Krenin yük kaldırma ve yürütme hızı test edildi. 26

27 Kren Testi Krenin yük kaldırma ve yürütme hız testi de ayrıca kontrol edilir 27

28 Problemin Tanımı Kafes Anakirişli Portal Kren Elemanlarında dinamik etkilerden kaynaklanan gerilme ve sehimlerin araştırılması. 28

29 Neden bu proje? Geleneksel Hesap yöntemlerinde krenin bazı parçalarında oluşan gerilmelerin tespit edilememesi Krenin parçaların iç takviyelerindeki gerilmelerin tespit edilememesi Kren Bacaklarının yatayda yaptığı yer değiştirmelerin hesaplanamaması Dolayısıyla, takviyelerin gereksiz yere fazla ve kalın yapılmasına neden olmaktadır. 29

30 Amaç ve Hedef Amaç: Krenin statik ve dinamik etkilerden dolayı kren parçalarında meydana gelen gerilmelerin büyüklüklerinin ve yerlerinin tespiti. Hedef: Gerilmelere ek olarak, kuvvetlerin dağılımı, Bacakların sehim değerlerinin araştırılması. Sonlu Elemanlar Yöntemi yle bulunan sonuçlar analitik bulgularla karşılaştırılarak SEM in bu problemde doğrulunun araştırılması. Krenin hafifletilmesi. 30

31 Ön Araştırma Ön araştırma sonucunda 2x275 Ton Kafes Anakirişli Portal Krenin analizlerin ve hesaplamaların yapılmasına karar verildi. Kaldırma Kapasitesi: 2 x kg Araba Yürüme : mm Kaldırma Yüksekliği: mm Yürüme Mesafesi : 495 m 31

32 Yapılan Çalışmalar FEM ve DIN Standartlarına göre Analitik Analiz 32

33 Gerilmelerin Hesaplanması Kabuller: Hesaplamalarda statik durum göz önüne alındı. Dinamik Etki = [Statik Etki] x [FEM Katsayıları] Sistem basit mesnetlenmiş olarak kabul edildi. 33

34 Gerilme Denklemleri Çubuk gerilmesi: F S M. f I. v a 2 [ N / mm ] Eğilme gerilmesi : e M W e 2 [ N / mm ] Kayma gerilmesi: a a 3 2 [ N / mm ] Birleşik gerilme : 2 2 cp 3 a 2 [ N / mm ] 34

35 Projede Kullanılan Malzeme A.37, A.42, A.52 çelikler Gerilme dayanımı 240, 260 ve 360 MPa 35

36 Krene Etkiyene Yükler Zati Ağırlıklar Kren Zati Ağırlığı = 560 Ton Araba Ağırlığı = 2 x 25 Ton Kanca Ağırlığı = 2 x 8 Ton Çalışma Yükü = 2 x 275 Ton Dinamik Yükler = 1/30 Kren ataleti = 560/30Ton Araba ataleti = 2x25 /30 Ton Kanca ataleti = 2x8 /30 Ton Yük ataleti = 2x275 /30 Ton Rüzgâr Yükü Çalışma Rüzgarı = 17,7 Ton Fırtına Durumu = MPa Halat Yükleri 36

37 Hesaplamalarda Kullanılan Tablolar Ömür faktörü Dinamik Katsayılar Narinlik Derecesi Rüzgar Basıncı Grup A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 1,00 1,02 1,05 1,08 1,11 1,14 1,17 1,20 37

38 Serbest Cisim Diyagramları 38

39 Rijit Bacak Hesabı Kule Kesit Kontrolü Pantolon Hesabı Kaldırma Halat etkisi Pantolon serbest cisim diyagramı Kaldırma Halat Yükleri 39

40 Üst Kutu kesit hesabı Bacak hesabı Mafsal Bacak Hesabı Düşey yük etkisi Fren etkileri 40

41 Modelleme Süreci Kren Elemanlarının Modellenmesi 41

42 Modelleme Adımı Modelleme Tipi : Katı ve Kabuk Modelleme Yazılımı: SolidWorks, AutoCAD Modelleme Sırasında; Geometrideki basitleştirmeler Kaynak boşlukları Küçük delikler Sac kenarları Kanlınlık farkları vs. 42

43 Kulenin Modellenmesi Kule 2D kesitten 3D çizildi 43

44 Kule İç Takviyeleri Kule Takviyeleri 44

45 Montaj Kutusunun Modellenmesi Montaj Kutusu 45

46 Montaj Kutusunun Modellenmesi Üçgen Braketler İç takviyeler 46

47 Pantolon un Modellenmesi Pantolon üst kesiti Pantolon alt kesiti 47

48 Pantolon İç Takviye Modellenmesi 48

49 Rijit Bacak Model Montajı 49

50 Mafsal Bacak Üst Kutusu 50

51 Mafsal Bacağın Modellenmesi 51

52 Mafsal Bacak İç Tavkiyesi 52

53 Mafsal Bacak Montajı 53

54 Gergi Kirişin Modellenmesi 54

55 Boji ve Tekerin Modellenmesi 55

56 Küçük Denge Kirişi 56

57 Büyük Denge Kirişi 57

58 Yürüyüş Takımları Montajı 58

59 Takviyelerin Modellenmesi 59

60 Anakiriş Modeli 60

61 Anakiriş e Montaj Detayları Anakiriş in Rijit Bacağa Montajı Anakiriş in Mafsal Bacağa Montajı 61

62 3D Kren Katı Modeli 62

63 Modellerin Sonlu Elemanlara Ayrıştırılması Tekerler Dışındaki Tüm Parçalar Katı Cisim Özelliği: Deforme olabilir (Deformable) Eleman Tipi : 4-node quadratic shell element (S4R). Tekerler Katı Cisim Özelliği: Deforme olabilir (Deformable) Eleman Tipi : Hexahedron C3D8R (An 8-node linear brick, reduced integration, hourglass control). Sistem Node Sayısı : Eleman Sayısı :

64 Analiz Ön Hazırlığı (Preprocessing) Modelleme Tipi : Katı ve Kabuk Modelleme Yazılımı : SolidWorks, AutoCAD SEM e Hazırlık : Hypermesh Analiz Tipi : Statik / Dinamik Analiz* Analiz Programı : ABAQUS/CAE Analiz Sonrası : ABAQUS Viwer 64

65 Kulenin Mesh Modeli Basit geometri Dış saclar S4 elemanlara ayrıştırıldı Kabuk şeklinde modellendi 65

66 Kule Takviyelerin Mesh Modeli Takviyeler S4 elemanlara ayrıştırıldı Kabuk şeklinde modellendi Her renk farklı kalınlığı temsil ediyor Profiller basitleştirildi 66

67 Montaj Kutusu Mesh Modeli Üçgen braketlerde S3 elemanlar kullanıldı Kabuk şeklinde modellendi Katı Model basitleştirildi 67

68 M. Kutusu Takviyelerin Mesh Modeli Braketlerin dar köşeleri ihmal edildi Kabuk şeklinde modellendi Mesh sürekliliğine dikkat edildi 68

69 Pantolon Mesh Modeli Bacağın alt bölgelerinde mesh sıkılaştırıldı Kabuk şeklinde modellendi 69

70 Pantolon İç Takviye Mesh Modeli 70

71 R.Bacak Üçgen Braket Mesh Modeli Bacak alt takviyesi eklendi Kabuk şeklinde modellendi Takviyede S4 ve S3 eleman tipleri kullanıldı 71

72 Rijit Bacak Mesh Modeli Tüm parçalar birbirine eklendi Node-Node bağlantıları yapıldı Sürekliliğe dikkat edildi Ölçü kontrolleri yapıldı 72

73 M. Bacak Üst Kutusu Mesh Modeli 73

74 Mafsal Bacak Mesh Modeli M.Bacak dış saclarında S4 eleman tipi kullanıldı. Alt bölgelerde mesh küçültmesine gidildi 74

75 Çatal İç Takviye Mesh Modeli Profiller basitleştirildi Kare elemanlar kullanıldı Profil cugulları dikkate alınmadı Kaynak cugulları kapatıldı 75

76 Mafsal Bacak Mesh Modeli Parçalar birleştirildi Node-Node bağlantısı kullanıldı Mafsal sistemi olarak, basit mafsal tipi kullanıldı Sürekliliğe dikkat edildi Ölçü kontrolü yapıldı 76

77 Gergi Kirişi Mesh Modeli Katı model tek parça şeklinde sonlu elemanlara ayrıştırıldı Kiriş kabuk olarak modellendi Kiriş profili basit dikdörtgen olarak modellendi Mafsal sistemi olarak, basit mafsal tipi kullanıldı Sürekliliğe dikkat edildi Ölçü kontrolü yapıldı 77

78 Boji Kalınlık farkları giderildi Mafsal delik etrafı özenle modellendi Mafsal tipi olarak basit mafsal sistemi tercih edildi Tekerler basitleştirilerek modellendi Tekerler katı mesh olarak modellendi Ölçü kontrolleri yapıldı 78

79 Denge Kirişleri Kalınlık farkları giderildi Mafsal delik etrafı özenle modellendi Mafsal tipi olarak basit mafsal sistemi tercih edildi Ölçü kontrolleri yapıldı 79

80 Anakiriş Mesh Modeli Üç bölgeye ayrılarak modellendi Kafesler birebir ölçülerde modellendi 80

81 Kren Mesh Modeli 81

82 Analiz Süreci Analiz Tipi : Statik Analiz Adımları : Yükleme Komb. Analiz Programı : ABAQUS/CAE Analiz Sonrası : ABAQUS Viwer Analiz Sırasında Kullanılan veriler Young Modülü : 2.1x10^5 N/mm^2 Poisson oranı : 0,3 Yoğunluk : 7890 kg/m^3 Yerçekimi : 9,81 m/s^2 82

83 Sınır Koşulların Belirlenmesi Mesnet Şartları: Mesnet Tipi : Basit Mesnet. Köşelerinden biri sabit, diğeri hareketli Krenin Y-Y ve Z-Z eksenindeki serbestlik derecesi kısıtlandı 83

84 Sınır Koşulların Düğümlere Atanması R : Sabit (Restrained) F : Serbest (Free) Teker altındaki raya temas eden düğümlere sınır koşulları konuldu. 2 düğüm sabit 32 düğüm hareketli Sabit Mesnet Hareketli Mesnet 84

85 Analiz Senaryosu Tablodaki tüm kombinasyonlar sırayla uygulandı. Her kombinasyon sonunda, yükler krenden kaldırıldı. Kren ağırlığı yerçekimi ile ifade edildi. 85

86 Yükleme Değerleri 86

87 Yükleme Durumları Yerçekimi yönü Kren ataleti (Dinamik Etki) 87

88 Arabaların Yüklenmesi Her arabada 8 şer teker bulunur. Yük tekerlerin bastığı düğümlere uygulandı Toplam yük, toplam 16 tekerleğe paylaştırıldı Araba statik olarak kabul edildi 88

89 Araba Yükü Ataletleri Farklı yönlerde frenleme durumları incelendi Atalet yükleri = Düşey yükler / 30 89

90 Analiz Simülasyonu Simülasyon İçeriği Yükleme durumu : Komb.121 Simülasyon Süresi : 1 dk Simülasyon 90

91 Analiz Sonuçları Gerilmeler : Von-Mises (MPa) Gerilme Değerleri : Maks. Mutlak (Max.Abs) Sehimler : Z yönünde (mm) 91

92 Analiz Doğruluk Testi Kombinasyon No: 110, 111, 112, 113 uygulandı Z yönündeki bacak sehimleri skaladan okundu Krenin farklı bölgelerinden düğümler seçildi Düğümlerin yer değiştirmeleri okundu 92

93 Sehim Kontrol Düğümleri Kontrol Bölgeleri Kontrol Düğümleri 93

94 Sehim Kontrol Tablosu Düğümlerdeki Kontroller; Yerdeğiştirme miktarı ve büyüklüğü X, Y ve Z eksenlerindeki düğüm rotasyonları 94

95 Araba Frenlenmesi Sonucu Bacak Sehimleri Frenleme Komb Z yönündeki bacak sehimi Maks. Mafsal Bacak ta Arabalar Kiriş ortasındayken frenlenmesi (Komb.126) 319 mm 95

96 Kule Mesh Modeli 96

97 Kuledeki Kuvvet Akışı 97

98 M. Kutusundaki Kuvvet Akışı 98

99 Montaj Kutusu Gerilme Dağılımı 99

100 Pantolon Gerilme Dağılımı 100

101 Pantolon Alt Kesitindeki Kuvvet Akışı 101

102 M. Bacak Üst Kutusu Gerilme Dağılımı 102

103 Üst Kutudaki Kuvvet Akışı 103

104 Mafsal Bacak Gerilme Dağılımı 104

105 Mafsal Bacak Moment Dağılımı 105

106 Denge Kirişindeki Gerilme 106

107 Denge Kirişindeki Kuvvet Akışı 107

108 Bojideki Gerilme 108

109 K. Denge Kirişindeki Gerilme 109

110 Büyük Denge Kirişindeki Gerilmeler 110

111 Noktasal Gerilmeler 111

112 Karşılaştırma 112

113 Araştırma Sonucu Kule buruşma takviyeleri Montaj Kutusu üst sacı ve orta takviye sacları Mafsal Bacak Üst Kutusunun orta takviye sacı Boji üst sacı Küçük Denge Kirişi üst sacı Büyük Denge Kirişi ara bölgelerdeki takviye sacları 113

114 Araştırma Sonucu Araba frenlenmesi sonucu Mafsal Bacak 319 mm dışarı yatar. Kren çalışma bölgesi yerleşim planı önceden yapılabilir. Mevcut yerleşim planın kren çalışmasına müsait olup olmaması öngörülebilir. Kren çalışma yükü altında emniyetlidir. Kren mevcut yükleme şartlarına göre hafifletilebilir. 114

115 Teşekkürler! İsmail GERDEMELİ 115