Endüstriyel Uygulamalarla BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK Computer Aided Engineering with Industrial Applications
CAD Son yıllarda hızla gelişen bilgisayar teknolojileri ve yazılımları, endüstriyel araştırma ve geliştirme faaliyetlerine de önemli bir ivme kazandırmıştır. Bugün için endüstride kullanılması düşünülen sistemlerin, üretime geçmeden önce bilgisayar destekli tasarımı (CAD - Computer Aided Design) yapılabilmekte, işlevselliği kontrol edilebilmekte, Tasarlanan her bir parçanın bilgisayar destekli üretimi (CAM - Computer Aided Manufacturing) gerçekleştirilebilmektedir. Üretime geçmeden önce daha optimum bir sistemin tasarlanabilmesi veya üretim sonrasında ortaya çıkan problemlerin giderilebilmesi için ise bu sistemlerin çalışma şartlarına uygun analizlerinin yapılmasına, yani bilgisayar destekli mühendislik (CAE Computer Aided Engineering) çalışmalarına ihtiyaç vardır. 2
Üretilmesi düşünülen yeni ürün veya sistemler açısından Bilgisayar Destekli Mühendislik (BDM) çalışmalarının en önemli avantajları: Üretime geçmeden önce bu sistemleri sanal ortamda (bilgisayar ortamında) analiz ve test edilebilir. Böylece sanal ortamda iken bu ürün veya sistemlerde ortaya çıkabilecek problemler net bir şekilde görülebilmekte, bu problemleri giderici ve sistemin verimliliğini arttırıcı gerekli tasarım değişiklikleri yapılarak optimum tasarım elde edilebilmektir. Sanal ortamda elde edilen bu optimum (en verimli) tasarım vasıtasıyla üretilecek ilk ürün veya prototipler, standart ürün testlerinden çoğunlukla ilk seferde başarıyla geçebilmektedir. Bu durum ise gerek zaman, gerekse test maliyetleri açısından işletmelere çok önemli kazançlar sağlamakta, yeni geliştirilen ürünün pazara daha hızlı sürülebilmesine imkan tanımaktadır. 3
Kullanılmakta olan sistemler açısından Bilgisayar Destekli Mühendislik (BDM) çalışmalarının avantajları: BDM çalışmaları sadece ilk tasarım aşamasında değil üretim sonrası, mevcut sistemlerde ortaya çıkan problemlerin sebeplerini sanal ortamda araştırmak ve çözüm geliştirmek amacıyla da yaygın şekilde kullanılır. Bu sayede yine gerek zaman gerekse maliyetler açısından çok önemli kazanımlar sağlanarak problemlerin giderilmesi sağlanır. 4
Görüldüğü gibi BDM çalışmaları ve analiz programları Ar-Ge ve inovasyon (yenilikçilik) faaliyetlerinin vazgeçilmezi konumundadır. Ar-Ge alanında çalışmak isteyen mühendislerin BDM açısından kendilerini geliştirmesi şarttır. Bir Ar-Ge Mühendisi BDM çalışmalarını yürütecek seviyede temel bilgi, beceri, yönlendirme, inisiyatif kullanabilme gibi önemli vasıflara sahip ve analiz programlarına yeterince aşina olmalıdır. İşte bu dersimizde asıl hedeflenen de bu vasıfların öğrenciye kazandırılmasıdır. 5
Sonlu Elemanlar Yöntemi Mühendislikteki teorik hesaplar, genelde daire, prizma, küp gibi düzgün geometriye sahip homojen parçalar için daha kolay yapılabilmektedir. Sistemin büyüklüğü ve kompleksliği arttıkça bu hesaplamalar zorlaşmakta ve belli bir noktadan sonra imkansız hale gelmektedir. İşte bu tip kompleks ve büyük sistemlerin düzgün geometrideki küçük küçük parçalardan (sonlu elemanlardan) oluştuğu farz edilebilir, herbir küçük parça için ayrı ayrı çözüm elde edilir ve tüm sistemin çözümü bu sayede gerçekleştirilmiş olur ki, bu yönteme sonlu elemanlar yöntemi ismi verilir. 6
Sonlu Elemanlar Yöntemi ve Paket Programlar Bu yönteme göre, incelenen sistem, önce sonlu eleman ismi verilen küçük ve düzgün parçalara bölünür; kurulan bu sonlu eleman ağında dış yükler, malzeme özellikleri ve sınır şartları bazı elemanlara ve elemanların birleşme noktalarına (düğümlere) gerçeğe uygun olacak şekilde uygulanır. Sonlu elemanlar arasındaki mekanik, ısıl, vb. bağıntılar ve yapılan bazı fonksiyonel kabuller sayesinde problemin yaklaşık çözümü gerçekleştirilmiş olur. 7
Sonlu Elemanlar Yöntemi ve Paket Programlar Bununla birlikte sistemin büyüklüğü ve kompleksliği arttıkça çözüm için gerekli işlemlerin sayısı çok artar ve bu noktada bilgisayar desteğine mutlak ihtiyaç duyulur. Sonlu Elemanlar Ağının çözümü için Fortran, Basic gibi programlarla yazılımlar yapılabilir. Ancak bunun için yazılım programlarının yanısıra sonlu eleman teorisine çok iyi hakim olmak gerekir. Bu ise oldukça uzun ve tecrübe gerektiren bir iştir. 8
Sonlu Elemanlar Yöntemi ve Paket Programlar Bugün için günümüzde birçok problem cinslerini kapsayacak şekilde yazılımlar geliştirilmiş ve görselliği de ön plana çıkararak paket programlar halinde kullanıma sunulmuştur. Bunlara örnek olarak Ansys, Abaqus, Adams gibi dünyada yaygın şekilde kullanılmakta olan programlar verilebilir. Bu paket programlarda, geometrik model kurulduktan sonra sınır şartları, yük ve malzeme özellikleri programın menülerindeki komutlardan modele uygulanır ve çıkan sonuçlar değerlendirilir. Aradaki çözümü program otomatik olarak yapar. Bu nedenle bu programların kullanımında sonlu elemanların teorisini bilmeye ihtiyaç duyulmaz. İşte bu derste Bilgisayar Destekli Mühendislik -BDM (Computer Aided Engineering- CAE) teriminden, sonlu eleman paket programları yardımıyla gerçekleştirilen bu tip faaliyetler kastedilmektedir. 9
Bilgisayar Destekli Mühendislik çalışmalarını, şu 3 ana aşamada toplamak mümkündür: 1- İnceleme Aşaması: Konuyu veya problemi anlamaya ve BDM çalışmaları için planlama yapmaya yönelik bu aşamada, bilgi edinme faaliyetleri ve beyin fırtınası toplantıları yapılır; herhangi bir hesaplama, analiz veya ölçüm yapılmaz. 2- Analiz ve Değerlendirme Aşaması: Bilgisayar başında modelleme, analiz, grafik oluşturma, sonuçları değerlendirme ve yorumlama gibi faaliyetlerle geçer. 3- Geliştirme ve Yargı Aşaması: İncelenen problemin çözümüne veya yeni tasarlanan sistemin verimliliğini arttırmaya yönelik olarak yeni analiz ve değerlendirme faaliyetlerini kapsar. 10
Şimdi 2. Aşama olan Analiz ve Değerlendirme aşaması üzerinde kısaca duracağız: Bu aşamayı da alttaki gibi 3 e ayırmak mümkündür: 2.1- Modelleme 2.2- Analiz 2.3- Değerlendirme 11
Analiz ve Değerlendirme Aşaması: 2.1-Modelleme : İncelenen problemde veya tasarımda, analizi yapılmak istenen parçanın, bölgenin veya sistemin; bir başka ifadeyle tespit edilen geometrinin sanal ortamda en uygun şekilde çizilmesidir. Modellenecek geometriye karar verilmesi dışındaki çizim aşamalarında mühendislik alt yapısına ihtiyaç duyulduğu pek söylenemez. Nitekim bugün mühendis olmayan bir çok kişi modelleme işlemlerini oldukça profesyonel seviyede yapabilmektedir. 12
Analiz ve Değerlendirme Aşaması 2.2- Analiz: Bu aşamada, analiz tipinin doğru seçilmesine; modellenen parça veya sistemin çalışma şartlarına uygun sınır koşullarının, malzeme özelliklerinin, dış yüklerin ve benzeri girdilerin belirlenmesine ihtiyaç vardır. 3-Değerlendirme: çıkan sonuçların yorumlanmasına ve bunların ışığında çözümler geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Dolayısıyla bu iki aşama, mühendislik alt yapısı, bilgi ve becerilerini uygulamakla doğrudan ilişkilidir. 13
Analiz ve Değerlendirme Aşaması O halde BDM açısından bir mühendiste asıl olması gereken ve beklenen özellik, herhangi bir programın menülerini iyi kullanmaktan ziyade, bilgisayar destekli mühendislik çalışmalarına doğru yön verebilmesidir. Bir başka ifadeyle bir mühendisten, ankastre sınır koşulunu analiz programının menülerden nasıl uygulayacağını bilmesinden ziyade, bu sınır koşulunu görebilmesi beklenir. Gerilme dağılımını renkli olarak ekrandan gösterebilmesi ve grafiklerini çizebilmesinden daha çok, bunları doğru yorumlayabilmesi ve daha verimli olacak tedbirler alması istenir. Demek ki, sadece paket programların menülerini iyi kullanabilmek, mühendis olarak çok önemli bir kazanım olmasa gerektir. 14
Bilgisayar Destekli Mühendislik Dersi, Mukavemet, Dinamik, Termodinamik, Akışkanlar Mekaniği, Malzeme Bilimi, Isı Transferi gibi eğitim süresi boyunca verilen birçok temel dersin önemli bir uygulaması olarak karşımıza çıkar. 15
Farklı BDM çalışmalarında, özellikle değerlendirme ve çözüm geliştirme aşamalarında, zihinlerde ham halde bulunan veya unutulmuş gitmiş birçok teorik bilginin yeniden canlandırılması sayesinde mühendislik kalitemizin gittikçe artacağı muhakkaktır. Örneğin Mukavemet dersinde sünek malzemeler için akma kriteri olarak anlatılan eşdeğer (von-mises) gerilmelerinin hesaplandığı formül, programın yazılımında aynen kullanılmakta ve bir analiz sonucu olarak karşımıza çıkmaktadır. Zaman içinde bu kavramla ilgili bilgileri unutmuş olsak bile, doğru bir BDM çalışması çerçevesinde mukavemetten akma ve kırılma kriterlerini bir kereliğine tekrar hatırlamamız, gerçek bir probleme uygulamamız ve bu sayede bu kavramı zihnimizde canlı tutarak, karşılaşacağımız farklı problemlere aktif bir şekilde anında uygulamamız mümkün olacaktır. Sonuç Olarak, BDM konusunda kendisini çok iyi geliştiren, farklı alanlardaki problemlere doğru yaklaşıp, doğru analiz, değerlendirme ve çözüm geliştirmeler yapabilen bir öğrencinin, mühendislik hayatında da çok başarılı olabileceğini söylemek hiç de yanlış değildir. 16
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK 2. Dersin Temeli ve Hedefleri Ders İçeriği * Sonuç olarak Dersimiz Mühendislikte çok yaygın şekilde kullanılan Sonlu Elemanlar Yöntemi temeline dayanmaktadır. * Sonlu Elemanlar Yöntemi ise Bilgisayar Destekli Mühendislik çalışmalarında kullanılan Ansys, Abaqus, Adams gibi Analiz Paket Programlarının yazılım temelini oluşturmaktadır. * Bu programlardan herhangi birisini kullanmayı öğretmek dersimizin asıl amacı değildir. 17
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK 2 Dersin Temeli ve Hedefleri Ders İçeriği Dersimizin amacı, Analiz faaliyetlerinde karar verme yeteneğinizi geliştirmektir. Daha açık ifadeyle dersimizin amacı; Bilgisayar Destekli Mühendislik (BDM) çalışmalarında, endüstriyel bir probleme yaklaşım, problemin sebeplerini doğru anlama, analiz girdilerinin doğru tespiti, sonuçların doğru yorumlanabilmesi, doğru yargılara varabilme, probleme yönelik doğru çözümler geliştirebilme ve gerektiğinde inisiyatif kullanabilme gibi bir mühendisten beklenen temel niteliklerin kazandırılmasıdır. 18
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK 2 Dersin Temeli ve Hedefleri Ders İçeriği * Dersimizin daha ilgi çekici olması ve faydasının anlaşılabilmesi için ise gerçek hayatta karşılaşılmış mekanik veya ısıl problemlere, paket analiz programları yardımıyla getirilen çözümler incelenecektir. 19
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK Ders İçeriği 2 Derste Gösterilmesi Hedeflenen Analiz Tipleri Yapısal Analizler Elastik Statik Analizler Elasto-Plastik Statik Analizler Yorulma Analizleri Titreşim Analizleri Isıl Yapısal Analizleri Kararlı Rejim (Steady-State) Isıl Yapısal Analizler Zamana Bağlı (Transient) Isıl Yapısal Analizler 20
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK Ders İçeriği 3 Dersin Kolay Öğrenmede Temel Nitelikler a-) Bir Analiz Programını Kullanabilme ve Modelleme Becerisi: Dönem projelerini yaparken öğrenciye yardımcı olacak şekilde bu programlardan birisini nasıl kullanacağı temel seviyede anlatılacaktır. Ancak öğrenci bu programın menülerini nasıl kullanacağından sorumlu olmayacaktır. b-) Sonlu Elemanların Teorisi: Ders kapsamında paket programlarda yapılan çözümler inceleneceğinden sonlu elemanların teorisinin bilinmemesi konuların anlaşılmasında bir engel teşkil etmeyecektir. Bununla birlikte sonlu elemanlar yönteminin yüzeysel de olsa ne olduğunun bilinmesi bazı kavramların anlaşılmasını kolaylaştırır. Öğrenci Sonlu Eleman Teorisi ne yönelik bilgilerden sorumlu tutulmayacaktır. 21
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK 4. Ders İşleme Şekli Ders İçeriği Dersimiz 1- Konu anlatımı, 2- Uygulama 3- Proje Çalışmaları şeklinde işlenecektir. 4.1 Ders: Daha önce BDM ile çözülmüş bir endüstriyel problem veya uygulama öğrencilere anlatılır. -Ders işleyişi sırasında öğrencilerin de derse katkı sağlamaları beklenir. -Öğrencilerin dersi anlamaları için zamanında derse gelmeleri çok önemlidir. Zira sunumların başında incelenecek konu açıklanmaktadır. 22
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK 4. Ders İşleme Şekli (Devam) 4. 2 Ders Uygulaması: Ders İçeriği Dönemin başında 2 hafta boyunca Ansys programında temel analizler basit modeller üzerinde gösterilecektir. Bu temeli alan öğrencilerin projelerini daha kolay yapabilmeleri hedeflenmektedir. Ayrıca ders sunumlarının bazılarında, endüstiryel bir problem veya yeni bir tasarım ortaya koyulduktan sonra, grup çalışmaları ile bunun üzerinde serbest çalışmaları sağlanacak ve böylece takım halinde BDM faaliyetlerini yürütme becerisi geliştirilmeye çalışılacaktır. 23
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK Ders İçeriği 4. 3 a ) Proje Çalışmaları Genel Kurallar 4. Ders İşleme Şekli (Devam) 1. Dönem Boyunca derste anlatılan analiz tipleri çerçevesinde gruplar halinde dönem projesi hazırlanacaktır. 2. BDM faaliyetleri, aynı zamanda bir grup çalışması da olabildiği için, 3 er öğrenciden oluşan gruplar kurulacaktır. Gruplar öğrenciler tarafından kendi aralarında kurulup öğretim üyesine bildirilecektir. 3. Sonuçta derste anlatılacak sunumlardaki endüstriyel örnekler gibi bir BDM çalışması planlaması beklenir. 4. Grubun ders dışında ayrıca bir araya gelip çalışması da mutlaka gereklidir. 5. Derslerin bitimine 3 hafta kala projeler sunum halinde teslim edilecektir. Ve her bir grup derste proje sunumunu yapacaktır. 6. Projelerdeki gelişmeler uygulama saatleri sırasında öğretim üyesine gösterilecek ve birlikte projenin devamına yönelik uygun kararlar belirlenecektir. 2 veya 3 kez öğretim üyesiyle birlikte proje tartışılmalıdır. 7. Derste yapılacak Proje sunumlarında grup içinden herhangi bir öğrencinin sunuma başlaması ve belli kısımda kesip diğer bir öğrencinin devam etmesi istenir. Benzer tedbirlerle herbir öğrencinin performansı ayrı ayrı değerlendirilecektir. 8. Grupta çok pasif kalan öğrenciler öğretim üyesi tarafından gruptan çıkarılacak ve proje notu «sıfır» kabul edilecektir. 9. Projelerde analizler veya modellemeler sonlu eleman çözümü veren herhangi bir paket programda yapılabilir. Program sınırlaması yoktur. (Ansys, Abaqus, Solidworks, Catia, Adams, vb) 10. Projelerde malzemeler kesinlikle malzeme kütüphanesinden seçilmemeli, yeni malzeme olarak tüm malzemeler tanımlanmalıdır. 24
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK Ders İçeriği 4. Ders İşleme Şekli (Devam) 4. 3 b) Proje Çalışmaları 1.Alternatif: Referans Makale benzeri proje: Bu alternatifi seçen Grup şunları yapmalıdır: 1. Daha önce yapılmış, BDM çalışması içeren, SCI-Expanded kapsamındaki dergilerde yayınlanmış İnglizce bir bilimsel makale bulacak ve projesinde bu makaleyi referans alacaktır. (kaynak linkler için tıklayınız) 2. Bu referans makaledeki çalışmaya benzer şekilde bir BDM çalışması tasarlayacak ve öncelikle bunu Dersin öğretim üyesine onaylatacaktır. (İlk 3 hafta) 3. Daha önce yapılmış lisans veya lisansüstü tezler referans olarak alınamaz. 4. Referans makaledeki aynı veya benzer model kurulacak veya model başka bir yerden doğrudan alınacak, benzer analizler yapılacaktır. Referans makaledeki çalışmayı literatürde olmayan farklı bir açıdan inceleyerek, analizlerini yapan ve bilime katkı sağlayan projeler çok daha değerlidir. Bu tip çalışmaların öğrencilerin ve öğretim üyesinin ismi yazılarak, SCI- Expanded kapsamında bir dergide yayımlanma durumu sözkonusu olabilir. 25
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK Ders İçeriği 4. 3 c) Proje Çalışmaları 2.Alternatif- Mekanizmaların anlık statik analizleri: Bu alternatifi seçen Grup şunları yapmalıdır: 1. Öncelikle endüstriyel uygulaması olan bir mekanizma seçilmeli ve bu uygulamaları da göstererek öğretim üyesine mekanizma onaylatılmalıdır. (mail yolu ve linklerle olabilir) 2. Mekanizma boyutları endüstrideki bir uygulamasıyla aynı veya yakın seçilmelidir. 3. Mekanizmayı öğrenciler kendileri tasarlamalı ve sanal ortamda çalışır vaziyete getirmelidir. Sunumda da çalışır durumu da gösterilmelidir. 4. Mekanizmanın bütününün ve en az 3 parçasının anlık statik analizinin yapılması gerekir. 5. Atalet kuvvetlerinin katıldığı projeler daha değerli olacaktır. 6. Atalet kuvvetleri dinamik veya mekanizma dersi bilgileriyle hesaplanmalı ve hesap şekilleri sunumlarda açıklanmalıdır. 7. Dış yükler, atalet yükleri ve sınır şartları şekillerle sunumda düzgünce anlatılmalıdır. 8. Doğru analizlerde tüm sistem için yapılan analizdeki bir parçanın sonuçları, o parçanın tek başına analiz sonuçlarıyla çakışır veya yakın olur. Buna dikkat edilmelidir. 9. Malzeme özelliklerini programın kütüphanesinden atanmamalı, yeni bir malzeme tanımlanmalıdır. 10. Analizler en kritik an için yapılmaya çalışılmalıdır. 26
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK Ders İçeriği 5 Ders Notları ve Kaynakları Dersin hedeflerine en yakın kaynaklar bilimsel dergilerdeki makaleler olabilir. Dersin içeriğiyle bire bir uyuşan bir yardımcı kitaba rastlanmamıştır. Bu sebeple ders notları kitap halinde basılması düşünülmektedir. Dersin takip edileceği web adresi: http://kisi.deu.edu.tr/mehmet.zor 27
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK Ders İçeriği 5. Ders Başarısını Değerlendirme Kriterleri -Dersi Alan Öğrencilerin başarısı 1 Vize: (%20), 1 Proje(%40), 1 Final/Bütünleme (%40) Üzerinden değerlendirilecektir. -Vize ve Final yazılı sınav şeklinde ve derste gösterilen konuları öğrencilerin anlayıp anlamadığını ölçecek şekilde yapılır. Proje : 3 er öğrenciden oluşan grupların herbirisinin dönem boyunca hazırladığı projeler derste sunulacaktır. (detaylar için Bknz. 4.3 Maddesi) 28
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARLA BİLGİSAYAR DESTEKLİ MÜHENDİSLİK 5. Ders Başarısını Değerlendirme Kriterleri Maksimum Puan Vize (%20) Yazılı Sınav 100 Proje (%40) Derste Sunum 100 Final (%40) Yazılı Sınav 100 Notlara İlave Dersteki Performans (Dersteki sunumlara yapılan her bir katkı için + verilir ve doğrudan bağıl nota yansıtılır) Uygulamalardaki Performans: Dersin uygulama saatlerinde, o an sorulacak bir endüstriyel uygulama için herbir grup analiz yapar. Yapılan grup çalışmasının kalitesine göre uygulama sonunda puan verilir. Herbir örneğin zorluk derecesine göre puanı (2-5 arasında) vardır. Alınan puan herbir öğrencinin vize notuna eklenir. *(o gün derse gelmeyenlere puan verilmez.) 5 Uygulama sayısı x 5 29