KAMYON ARKA AKS GÖVDESİNDEKİ KIRILMALAR

Transkript

1 KAMYON ARKA AKS GÖVDESİNDEKİ KIRILMALAR

2 1- İnceleme Faaliyetleri

6 1- İnceleme Faaliyetleri KAMYON ARKA AKS GÖVDESİ

7 1- İnceleme Faaliyetleri Bir kamyonun yolu üzerinde şekilde görülen tümseklerden 10 6 tane var olduğu düşünülür. Kamyon tüm tümseklere girip çıktığında akslarda hasar meydana gelmemelidir. Akslar bu kabule göre dizayn edilip üretilmelidir. Bu şartları sağlayacak şekilde standart yorulma deneyi setleri dizayn edilmiştir.

8 1- İnceleme Faaliyetleri Bu şartlara karşılık gelen standart yorulma deneyi seti Yeni üretilen aks gövdeleri bu deney setinde önce yorulmaya tabi tutulur tekrar sayısına kadar aks gövdesinde hiçbir çatlak oluşmaması gerekir ki, bu akslar güvenle kullanılabilsin.

9 1- İnceleme Faaliyetleri Deney Seti Silindirlerden uygulanan tekrarlı yükler

10 1- İnceleme Faaliyetleri Bir endüstriyel kuruluşta üretilen yeni tip akslar, standart testlere tabi tutulmuş ve testler sırasında 10 6 çevrimden önce (4.9x10 5 çevrimde) bazı bölgelerde çatlamalar gözlenmiştir. -Kuruluş, mühendislerinden bu problemin giderilmesi için Ar- Ge faaliyeti yapmalarını istemiştir. -Deney seti, dünyada kabul edilen bir standart olduğundan, probleme yönelik incelemelerin ve çözüm geliştirmelerin deney şartlarında yapılması daha doğru bir yaklaşımdır.

11 2- İNCELEME TOPLANTILARI Deney sırasında görülen çatlakların, yorulma sebebiyle oluşacağı açıktır.

12 2- İNCELEME TOPLANTILARI İnceleme Alternatifleri Problemin tekrarlı yükler ve dolayısıyla yorulma ömrü açısından deney şartlarında incelenmesi gerekir. -Mevcut geometri esas alınarak yorulma analizleri yapılmalıdır. -Mevcut durum görüldükten sonra kırılma bölgesine yönelik farklı tasarımlar ve analizler yapılarak çözüm geliştirmeler düşünülebilir. -Sınır şartları ve yüklemelerin mevcut deney şartlarını yansıtması gerekir.

13 2- İNCELEME TOPLANTILARI İnceleme Şekline Karar Verilmesi Aks Gövdesi Modellenecek, Standart test şartlarını verecek şekilde sınır şartları ve yükleme uygulanacak, Yorulma Analizleriyle çatlak oluşumunun kaç tekrarda ortaya çıktığı tespit edilecek, Deneysel sonuçlarla karşılaştırılarak analizlerin doğruluğu desteklenecek, Kırılma bölgesine yönelik çözümler geliştirilecektir.

14 3- İNCELEME RAPORU 1. ve 2. adımlardaki faaliyetler ve tespitler bir rapor halinde hazırlanmalıdır.

15 4- TEMEL BİLGİLERİN GÖZDEN GEÇİRİLMESİ Yorulma: Bir çok makine parçası ve yapı elemanları kullanılma esnasında tekrarlanan gerilmeler (yükler) ve titreşimler altında çalışmaktadırlar. Tekrarlanan gerilmeler altında çalışan metalik parçalardaki gerilmeler, parçanın statik dayanımından küçük olmalarına rağmen, belirli bir tekrarlanma sayısı sonunda genellikle yüzeyde bir çatlama ve bunu takip eden kopma olayına neden olurlar. «YORULMA» adı verilen bu olay ilk defa O yılları arasında Wöhler tarafından incelenmiş ve teknoloji ilerledikçe mühendislik uygulamalarında daha fazla önem kazanmıştır. Otomotiv ve uçak endüstrisindeki parçalar ile kompresör, pompa, türbin gibi makinelerin parçalarında görülen mekanik hasarların yaklaşık % 90'ı yorulma sonucunda olmaktadır.

16 4- TEMEL BİLGİLERİN GÖZDEN GEÇİRİLMESİ Bir örnek: Tekrarlı yüke maruz bir kiriş Kirişin orta kesiti (A) nde herhangi bir noktada, eğilmeden kaynaklanan normal gerilmenin zamanla değişimi..

17 4- TEMEL BİLGİLERİN GÖZDEN GEÇİRİLMESİ S - N DİYAGRAMI (Wöhler Diyagramı) : Bu diyagram, incelenen noktadaki farklı sabit gerilmeler (S m ) altında, o noktadan malzemenin kaç tekrar sonunda çatlayacağını veya kırılacağını gösterir. S - N eğrisinin çizilmesi için genellikle 8 ila 12 benzer numune kullanılır. Ortalama gerilme (Sm) tüm deneylerde sabit kalmak üzere numunelerin herbirine farklı periyodik gerilmeler uygulanarak numunenin çatlamasına (veya kırılmasına,) kadar geçen çevrim sayısı (N) tesbit edilir. Deneylerin tümünde gerilme genliği (S a ) deney süresince sabit tutulur. (Örneğin S m1 ortalama gerilmesi, S ab genliği sabit alınarak yapılan deneyde 10 4 tekrar sonra kırılma olmuştur. Bu ise S-N eğrisinde b noktasına karşılık bulunmuştur.) Düşey eksene bazen Smax gerilmesi de yerleştirilebilir. S - N eğrisi 10 6 çevrimden sonra genellikle yatay eksene (apsis) asimptotik bir durum gösterir, yani bu tekrar sayısından eğrinin yatay eksene paralel olduğu kabul edilebilir. Bu ise sonsuz ömür anlamına gelmektedir. (Örneğin S m1 ortalama gerilmesinde hiçbir zaman kırılma olmaması için gerilme genliğinin S ao-1 i geçmemesi gerekir.)

18 4- TEMEL BİLGİLERİN GÖZDEN GEÇİRİLMESİ S-N diyagramında genelde logaritmik skala kullanılır.

19 4- TEMEL BİLGİLERİN GÖZDEN GEÇİRİLMESİ S-N eğrileri yardımıyla, yorulma mukavemet sınırları bir diyagrama indirgenebilir. Buna göre yatay eksene ortalama gerilmeler (S m1, S m2, S m3, ), düşey eksene sonsuz ömre karşılık gelen maksimum gerilmeler (S maxo-1,s maxo-2, S max0-3,.. ) yerleştirilir. Böylece eğrinin üst kısmı çizilmiş olur. Eğrinin alt kısmı ise 45 o lik eksene göre üst kısmın simetriğidir. Alt ve üst eğri kısımları ayrıca 45 o lik eksene S a0 (sonsuz ömür genliği) kadar düşey uzaklıktadırlar. Eğrinin alt kısmı buna göre çizilir. Tekrarlı yüklemeye maruz bir sistemin herhangi bir noktasında, bu diyagramın sınırlarına çıkılmadıkça o noktada herhangi bir kırılma olmaz ve sonsuz ömür elde edilmiş olur. Bu diyagramın negatif kısmınında dahil olduğu eğriye Smith diyagramı denir.

20 4- TEMEL BİLGİLERİN GÖZDEN GEÇİRİLMESİ Yorulma mukavemet sınır eğrisinin negatif tarafı da çizilirse elde edilen yeni eğriye Smith diyagramı denir. Gevrek malzemelerde bası mukavemeti, çeki mukavemetten daha büyük olduğundan Smith diyagramının negatif kısmı daha büyük olmaktadır.

21 4- TEMEL BİLGİLERİN GÖZDEN GEÇİRİLMESİ Smith diyagramı yerine, kullanımı daha kolay, daha emniyetli ve yandaki şekilde kırmızı doğrusal hatlarla çizilmiş diyagram kullanılır. Bu diyagramı çizebilmek için S w, S akma, S m değerlerinin bilinmesi yeterlidir. (Diyagrama negatif kısımda dahil olmasına rağmen burada gösterilmemiştir.) Belli bir emniyet katsayısı (n) olan sistemlerde bu diyagram küçülür ve mavi hatlarla belirtilen şekle benzer bir hale girer.

22 4- TEMEL BİLGİLERİN GÖZDEN GEÇİRİLMESİ Yorulma Mukavemetinin hesaplanmasında farklı yaklaşımlar da vardır. Herbir yaklaşım kriterinin sınır eğrisi de şekilde görüldüğü gibi farklılık arz etmektedir. Herbiri eğrinin denklemi aşağıda verilmiştir. Goodman n:emniyet katsayısı SoderBerg S S m m 0 0 ise ise S S S S a w a w S S S S m akma m akma 1 n 1 n Gerber S S a w 1 n S ( S m B 2 ) Goodman ve Gerber tüm malzeme tipleri için kullanılabilmesine rağmen, Goodman gevrek malzemeler, Gerber ise sünek malzemeler için daha iyi bir tercih olmaktadır. Soderberg ise düşük sünekli malzemeler için kullanışlıdır. Gevrek malzemeler için bası mukavemeti, çok daha fazla olduğundan negatif ortalama gerilme bölgesinde eğriler daha büyük bir yer teşkil edecektir.

23 4- TEMEL BİLGİLERİN GÖZDEN GEÇİRİLMESİ Soru: Bir sistemin yorulma ömrü analizi için hangi diyagramın bilinmesi yeterlidir? Cevap- Çalışma şartlarındaki ortalama gerilme (S m ) ye karşı gelen S-N diyagramının veya malzemeye ait Smith, Goodman vb. diyagramlarından birisinin bilinmesi de yeterlidir. Çekme mukavemeti = S B Çekme mukavemeti genliği = Sa 1 = S B -S m İdeal yorulma mukavemeti = Se Gerçek yorulma mukavemeti genliği= Se = k.se düzeltme faktörü = k = k a.k b.k c.k d.k e k a : (imalat yöntemine bağlı) yüzey faktörü = a.s b B k b : (geometriye bağlı ) boyut faktörü k c : (zorlanma şekline bağlı) yük faktörü k d : (işletim sıcaklığına bağlı) sıcaklık faktörü ( a,b : sabitler) k e : gerilme yığılması faktörü =1/K f (K f yorulma için gerilme yığılması faktörü.. Güveliğin önemli olduğu durumlarda statik gerilme yığılması faktörü K T ile anı alınır. K t = S max / S nominal )

24 5-BDM Açısından Yapılabilecek Kolaylıklar ve Basitleştirmeler Soru: Femur Protezleri ve Destek Galesi Probleminde yorulma sözkonusu olmasına rağmen statik analizler yapılmıştır. Bu problem de de statik analiz yapabilir miyiz? Cevap: Statik yüklemedeki gerilmeler, tekrarlı yüklerdeki maksimum gerilmelerle hemen hemen eşit çıkar. Bu nedenle yorulma ömrünü arttırmak için farklı tasarımların statik analizlerindeki maksimum gerilmeler karşılaştırılabilir. Femur Protezleri ve Gale Probleminde bu şekilde yapılmıştır. Bu problemde ise 3-b adımında vardığımız karara göre çatlak açılım başlangıcında tekrar sayısının tespit edilmesi hedeflenmiştir. Bu nedenle yorulma analizi yapılmalıdır. Ayrıca bu analizlerin deneysel verilerle karşılaştırılabilecek olması da yorulma analizini tercih etmemiz açısından önemlidir. Bununla birlikte bu problem için de farklı inceleme alternatifleri ve tasarımlarla statik analiz yaklaşımı yapmak mümkündür. Diğer?

25 6- Geometrik Modelin Kurulması

26 7-Elemanlara Ayırma (Meshing) Sonlu Elemanlara ayrılmış model Model 3 serbestlik dereceli solid elemanlardan oluşturulmuştur. Model eleman ve düğümden oluşmaktadır.

27 8- Analiz Girdileri 8.1- Sınır Şartları ve Yükleme Gerçekte yük, yay tablalarına, Z R ve Z L noktalarından düşey doğrultuda ve şasiden gelmektedir. Ancak gerek deney setinde, gerekse katı modelinde sadece Aks gövdesi mevcut olduğundan bu yüklerin A ve B bağlantı noktalarında oluşturduğu tepki kuvvetleri sisteme değişken yük olarak uygulanır. Z R ve Z L noktalarının eksenden bir miktar kaçık olması nedeniyle, bu noktalardan ilave bir eğilme momenti (DM) ve burulma momenti meydana gelmektedir. Bu eğilme momentinin etkisinin de testlerde ve analizlerde yer alması için hidrolik silindirler aks kollarına eksenden c (50.5mm) mesafesi kadar kaçık yerleştirilmiştir. Kayma gerilmelerine sebep olan burulma etkisi ise ihmal edilmiştir.

28 8- Analiz Girdileri 8.1 Sınır Şartları ve Yükleme -Testler 80 ton kapasiteli bir test standında yapılmaktadır. -Sistem, ayarlanabilir yüklemeye olanak sağlayan elektronik kumandalı iki hidrolik silindir ile tekerlek temas noktalarını temsil eden ve açıklığı aksın iz genişliği T w ye eşit C ve D desteklerinden oluşmaktadır. Bu destek noktalarında düşey doğrultudaki (z) yer değiştirmeler sıfır alınr. -Silindirler, gerçek konstrüksiyonda semerlerin monte edildiği A ve B noktalarına bağlanmaktadır. -Semer Bağlantılarındaki düşey yükün engebeli koşullarda kg aralığında değiştiği belirlenmiştir. Testlerde silindir kuvvetleri bu aralıkta değiştirilmiştir.

29 8.1 Sınır Şartları ve Yükleme 8-Analiz Girdileri

30 8.2 Malzeme Özellikleri 8- Analiz Girdileri Aksı oluşturan üst ve alt kabuk t s =9.5mm kalınlığında S460N sac malzemesinden, preste sıcak olarak şekillendirilir. Bu malzemenin işlenmemiş durumdaki mekanik özellikleri literatürden elde edilebilmektedir. Bununla birlikte, şekillendirme öncesinde saç levha 800 o C ye kadar ısıtılmakta, preslenme sırasında malzemenin sıcaklığı o C aralığında bulunmaktadır. Anılan ısıl ve mekanik işlemler nedeniyle, malzemenin mekanik özelliklerinde ortaya çıkacak değişikliklerin de dikkate alınması amacıyla, üretimi tamamlanmış, gövde örnekleri üzerinden toplam 5 adet numune çıkarılarak çekme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu deneyler sonucunda elde edilen özellikler alttaki tabloda verilmiştir. Akma mukavemeti Kopma mukavemeti Max. uzama

31 8.2 Malzeme Özellikleri S-N diyagramı: 8- Analiz Girdileri Yorulma analizi için gerekli olan bu diyagram herbir S m değeri için değişir. O halde bu diyagramın doğru değerinin sisteme girilebilmesi için, yükleme şartlarındaki ortalama gerilme aslında herbir nokta için (Sm) bilinmelidir. Soru: Yükleme şartlarındaki Sm değerini nasıl elde edibiliriz? Cevap: Maksimum ve minimum silindir kuvvetlerin ayrı ayrı sisteme uygulanarak 2 ayrı statik analizl yapılır. Bu analizlerden elde edilen gerilmelerin ortalaması, tekrarlı yüklemedeki o nokta için ortalama gerilme (S m ) olacaktır. S m S F max min 2 S F

32 8.2 Malzeme Özellikleri S-N diyagramı: 8- Analiz Girdileri Soru: Bu durumda herbir düğüm için farklı bir Sm değeri elde edileceğinden her bir düğüme farklı bir S-N diyagramı girilmesi gereklidir ki bu da oldukça külfetli ve neredeyse imkansızdır. Bu zorluğu aşmak için ne yapabiliriz? Cevap: Statik analizlerden en kritik noktanın ortalama gerilme değerini, Sm olarak olarak alıp tüm düğümler için bu Sm değerine karşı gelen S-N diyagramı sisteme girilebilir. Bu şekilde en kritik nokta için gerçek durum, diğer noktalar için çok daha kritik durum incelenmiş olacaktır. Bu ise dizayn açısından diğer noktalarda daha fazla emniyet sağlayacağından bir sorun teşkil etmeyecektir. Sonuçta bu çalışmada da bu çözüm yoluna gidilmiş, Statik 2 analizden elde edilen en kritik noktanın gerilmelerinin ortalaması Sm değeri olarak kabul edilmiş ve Sm değerine karşılık gelen malzemenin S-N diyagramı modeldeki tüm elemanlara bir malzeme özelliği olarak atanmıştır. Bununla birlikte bir malzemenin farklı Sm değerlerindeki S-N eğrileri programa girilirse (veya programın arşivinde o malzeme önceden girilmiş de olabilir), program önce statik analiz yaparak herbir nokta için Sm değerini iterasyonla elde ettikten sonra, o noktaya uygun S-N eğrisini de otomatik atayabilir. Birçok paket program bu mantıkla çalışır.

33 8- Analiz Girdileri 8.2 Malzeme Özellikleri S-N diyagramı: En kritik nokta için, statik analizlerden bulunan gerilmelerin ortalaması (Sm)=198,22 MPa olarak hesaplanmış ve gövde malzemesinin bu ortalama gerilmeye karşılık gelen S- N diyagramı bulunmuştur. Bu diyagram biraz daha basitleştirilerek malzeme özelliği olarak analiz programına tanımlanmıştır. Malzemenin üst yorulma sınırı akma noktası kabul edildiğinden bu noktadaki genlik Sa 1 = S akma -Sm olarak alınmış ve bu değerin 10 2 tekrara kadar değişmediği kabul edilmiştir. Sonsuz ömür genliği (Sa 2 ) ise hesaplanmış ve 10 6 tekrardan sonra sabit kaldığı kabul edilmiştir. Bu iki nokta arasının ise logoritmik diyagramda lineer değiştiği düşünülmüştür. S-N diyagramı girildikten sonra 4. adımda bahsedilen yorulma kriterlerinden birisi programda seçilebilir. Se = Gerçek yorulma mukavemeti genliği= k.se =428 Se = İdeal yorulma mukavemeti = 705MPa k = düzeltme faktörü = k a.k b.k c.k d.k e =0.608 k a : (imalat yöntemine bağlı) yüzey faktörü =0.564 k b : (geometriye bağlı ) boyut faktörü=0.75 k c : (zorlanma şekline bağlı) yük faktörü=1 k d : (işletim sıcaklığına bağlı) sıcaklık faktörü=1 k e : gerilme yığılması faktörü =1/K f =0.864

34 9- Program Ayarları 1-Öncelikle Sm ortama gerilmesini bulmak için 2 statik analiz yapılacaktır. 2- bundan sonra zamanla değişen tekrarlı yükler uygulanarak yorulma analizi yapılacaktır. 3-Programda yorulma analizi tercihi yapılmasına dikkat edilmelidir. 4- Ayrıca, malzeme özelliği olarak E, n, S-N, S m, S akma, Bir yorulma kriteri programa girilmelidir. 5-Bu analizde Goodman kriteri kullanılacaktır. 6- Bir malzemenin farklı Sm değerlerindeki S-N eğrileri programa girilirse (veya programın arşivinde o malzeme önceden girilmiş de olabilir), programa sadece yorulma analizi komutu girilir. Program önce statik analiz yaparak herbir nokta için Sm değerini iterasyonla elde ettikten sonra, o noktaya uygun S-N eğrisini de otomatik atayabilir.

35 10- Çözüm Solve veya benzer bir komutla programın otomatik olarak çözüm yapması sağlanır.

36 11- Analizlerin Değerlendirilmesi ve Desteklenmesi Yapılan statik analizler sonucunda bulunan eşdeğer gerilmeler

37 11- Analizlerin Değerlendirilmesi ve Desteklenmesi Yorulma Analizi sonucunda elde edilen, yorulma ömrü emniyet katsayısı dağılımı Soru: Buradaki emniyet katsayısı skalası hangi noktalar için doğrudur? Neden? Cevap: Sadece F1 ve F2 noktaları için doğrudur. Zira S-N eğrisi bu noktaların ortalama gerilmesine göre tüm noktalara girilmiştir. Diğer noktaların ortalama gerilmesi aslında daha düşük olduğundan emniyet katsayısı da aslında çok daha yüksektir. Yapılan analizler sonucunda F1 ve F2 noktalarının yorulma ömürleri N= çıkmıştır.

38 11- Analizlerin Değerlendirilmesi ve Desteklenmesi Soru 1:Sonuçlar Mantıklı mı? (Görsel değerlendirme) Cevap 1: Statik ve yorulma analizlerine göre en kritik noktanın deneydeki kırılan nokta olması mantıklıdır. Cevap 2: Diğer?

39 11- Analizlerin Değerlendirilmesi ve Desteklenmesi Soru 2:Sonuçların Doğruluğunu nasıl destekleyebilirim? (Fiili destekleme) Cevap 1: Deneysel destekleme F1 ve F2 noktalarının yorulma ömrünün deneysel ölçümlerle yaklaşık aynı çıkması, analizlerin doğruluğunu çok önemli seviyede desteklemekte ve çalışmanın kalitesini yükseltmektedir. Yurdışındaki 1.sınıf dergiler bu tip bir destekleme olmadan yayınları genellikle kabul etmemektedirler. 2 Gerilmeler için teorik eğilme yüklemesi hesaplamaları yapılabilir. (M.y/I) 3: Diğer?

40 12- Planlanan Diğer Analizlerin Yapılması Planlanmış başka bir analiz olmadığından bu adımda herhangi bir faaliyet yapılmaz. 13- Analiz Raporu adımlardaki tüm faaliyetleri, tespitleri ve sonuçları içerecek şekilde bir analiz raporu hazırlanmalıdır.

41 14 Geliştirme b-) Gövde geometrisinin sadece kritik bölgelerinde yumuşak geçiş sağlayacak şekilde yapılacak artışlar, bu bölgede gerilmelerin düşüşüne sebep olacağından yorulma ömrü artacak, bunun yanısıra ağırlık ve maliyet fazla artmayacaktır. Bu daha optimum bir çözüm olarak görülmektedir. Nitekim çalışmayı yapan aynı kişiler tarafından da bu çözüm şekli düşünülerek yeni bir çalışma yapılmıştır.

42 14 Geliştirme Soru: Bu problemi çözmek için önerileriniz nedir? F1 ve F2 noktalarında da yorulma ömrünün arttırılması ve sonsuz ömür elde edilmesine yönelik çözümler düşünülmelidir. 1- Gövdenin geometrisini değiştirerek gerilmeler düşürülebilir ve ömür arttırılabilir. Ancak aks ağırlığının ve maliyetin artmasını da dikkate alarak optimum bir çözüm geliştirilmelidir. a-) Gövde 2 farklı saçtan oluştuğu için saç kalınlığı arttırılabilir. -Ancak emniyetli bölgelerde kalınlığın artmasına gerek olmadığından gereksiz ağırlık artışı ve maliyet ortaya çıkacağından bu uygun bir çözüm değildir. Cidar kalınlığı 0.5 mm arttırıldığında yorulma ömrü %5 artarak 5.8*10 5 değerine ulaşılmıştır. Bu durumda aks ağırlığının %5 artmasına rağmen yine de sonsuz ömre (10 6 ) ulaşılamamıştır.

43 15-Yargılar, Bilim ve Uygulamaya Katkılar (genel kazanımlarımız) Bu çalışma göstermiştir ki; 1- Tekrarlı yüke maruz bu tip parçaların imalatından önce sanal ortamda analizlerinin yapılması, optimum geometriyi belirlemek açısından oldukça faydalı olacaktır. Bu şekilde imal edilen bir parça standart testlere tabi tutulduğunda muhtemelen yorulma sınırlarını aşmayacaktır. Analizleri yapılmadan imal edilen parçalarda hasarların ortaya çıkması muhtemeldir. Bu ise imalat yöntemleri, maliyet ve zaman açısından önemli kayıplara yol açabilir. 2-Diğer? 16- Geliştirme ve Yargı Raporu 14 ve 15. adımlardaki tespitler ve faaliyetleri içeren bir rapor hazırlanmalıdır.

44 Yapılan Yayınlar Yerli Yayın (Mühendis ve Makine Dergisi)

45 Yapılan Yayınlar Yabancı Yayın (Engineering Failure Analysis SCI)