DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ TABAKALI KOMPOZİT MALZEMELERİN SERBEST TİTREŞİM ANALİZİ (ANSYS-KLASİK İLE) ARAŞTIRMA PROJESİ Hazırlayan : Ayhan KİNET Danışmanlar: Araş.Gör. Dr. Hasan Öztürk - Doç. Dr. Mehmet Zor Şubat 2008 İzmir Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 1
TEŞEKKÜR Kompozit sistemlerin serbest titreşim analizi konusunda hazırlamış olduğum bu araştırma tezinde bana rehberlik eden ve ANSYS programının kullanılması konusunda desteğini esirgemeyen Doç. Dr. Mehmet ZOR a ve Dr. Hasan ÖZTÜRK e teşekkür ederim. Ayhan KİNET Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 2
1. GİRİŞ KOMPOZİT MALZEMELER Birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacıyla bir araya getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzeme sistemine kompozit malzeme denir. En geniş anlamda, bir kompozit malzeme iki veya daha fazla bileşenden meydana gelen malzemedir. Bu bileşenler makroskobik seviyede bir araya getirilirler ve birbirleri içinde çözünmezler. Takviye elemanı olarak adlandırılan bileşen; fiber, partikül veya ince levha şeklinde olabilir. Diğer bileşen ise matris fazıdır. Bu malzemelerin bir araya getirilmesi, bir takım çalışma karakteristiklerinin bu bileşenler tek olarak değerlendirildiği durumdakinden daha iyi olmasına müsaade eder. Buna karşılık bu malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemede bazı güçlükler mevcuttur. Bu durum kompozit malzemelerin metalik malzemelere nazaran daha kompleks bir yapıya sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Cam elyaflı poliyester levhalar, çelik donatılı beton elemanlar, otomobil lastikleri ve seramik metal karışımı olan sermentler bunlara örnektir. Metal Kompozitler (Metal Matrisli Birleşik Malzemeler MMC): Bir metalik fazın bazı takviye malzemeleri ile eritme vakum emdirme, sıcak presleme ve difizyon kaynağı gibi ileri teknikler uygulanarak MMC ler elde edilirler. MMC ler daha çok uzay ve havacılık alanlarında, mesela uzay teleskobu, platform taşıyıcı parçalar, uzay haberleşme cihazlarının reflektör ve destek parçaları vs. yerlerde kullanılır. Kompozit Malzemelerin Avantajları ve Dezavantajları Kompozit malzemelerin birçok özelliklerinin metallerinkine göre çok farklılıklar göstermesinden dolayı, metal malzemelere göre önem kazanmışlardır.kompozitlerin özgül ağırlıklarının düşük oluşu hafif konstrüksiyonlarda kullanımda büyük bir avantaj sağlamaktadır. Bunun yanında, fiber takviyeli kompozit malzemelerin korozyona dayanımları, ısı, ses ve elektrik izolasyonu sağlamaları da ilgili kullanım alanları için bir üstünlük sağlamaktadır. Aşağıda bu malzemelerin avantajlı olan ve olmayan yanları kısaca ele alınmıştır. Kompozit malzemelerin dezavantajlı yanlarını ortadan kaldırmaya yönelik teorik çalışmalar Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 3
yapılmakta olup, bu çalışmaların olumlu sonuçlanması halinde kompozit malzemeler metalik malzemelerin yarini alabilecektir. 1.Yüksek Mukavemet :Kompozitlerin çekme ve eğilme mukavemeti birçok metalik malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı kompozitlere istenen yönde ve bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylece malzemeden tasarruf yapılarak, daha hafif ve ucuz ürünler elde edilir. 2.Kolay Şekillendirebilme : Büyük ve kompleks parçalar tek işlemle bir parça halinde kalıplanabilir.bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar. 3.Elektriksel Özellikler : Uygun malzemelerin seçilmesiyle çok üstün elektriksel özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilebilir. Bugün büyük enerji nakil hatlarında kompozitler iyi bir iletken ve gerektiğinde de başka bir yapıda, iyi bir yalıtkan malzemesi olarak kullanılabilirler. 4.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 aspiratörler, tekne ve diğer deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır. Özellikle korozyona karşı mukavemetli olması, endüstride birçok alanda avantaj sağlamaktadır. 5.Isıya ve Ateşe Dayanıklılığı : Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden oluşabilen kompozitlerin ısıya dayanıklılık özelliği, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak sağlamaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozitlerin ısıya dayanımı arttırılabilir. 6.Kalıcı Renklendirme : Kompozit malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir.bu işlem ek bir masraf ve işçilik gerektirmez. 7.Titreşim Sönümlendirme : Kompozit malzemelerde süneklik nedeniyle doğal bir titreşim sönümleme ve şok yutabilme özelliği vardır. Çatlak yürümesi olayı da böylece minimize edilmiş olmaktadır. Bütün bu olumlu yanların dışında kompozit malzemelerin uygun olmayan yanları da şu şekilde sıralanabilir: Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz etkilemektedir. Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler. Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 4
Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri farklılıklar gösterir. Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez. Görüldüğü gibi kompozit malzemeler, bazı dezavantajlarına rağmen çelik ve alüminyuma göre birçok avantaja sahiptir. Bu özellikleri ile kompozitler otomobil gövde ve tamponlarından deniz teknelerine, bina cephe ve panolarından komple banyo ünitelerine, ev eşyalarından tarım araçlarına kadar bir çok sanayi kolunda problemleri çözümleyecek bir malzemedir. Tabakalı kompozitler: Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir. Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukaveket değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Sürekli elyaf takviyeli tabakalı kompozitler uçak yapılarında, kanat ve kuyruk grubunda yüzey kaplama malzemesi olarak çok yaygın bir kullanıma sahiptirler. Ayrıca, uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanı olan sandviç yapılar da tabakalı kompozit malzeme örneğidirler. Sandviç yapılar, yük taşımayarak sadece izolasyon özelliğine sahip olan düşük yoğunluklu bir çekirdek malzemenin alt ve üst yüzeylerine mukavemetli levhaların yapıştırılması ile elde edilirler. Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 5
2. Tabakalı Kompozitlerde Serbest Titreşim Analizi 2.1 Problemin Tanımı Şekil 1 Serbest Titreşim Analizi Yapılacak Orthotropik (5 tabakalı) Malzemenin Görünümü 2.2 Programın açılması Şekil 2 Ansys Programının Başlatılması Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 6
Şekil 3 Program Açılış Penceresi 2.3 Analiz Türü Main Menu>Preferences tıklanır Structural seçili hale getirilip OK butonuna basılır Şekil 4 Analiz Türü Seçimi Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 7
2.4 Birim Seçimi Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Library>Select Units tıklanır SI(MKS) seçilip OK butonuna basılır Şekil 5 SI Metrik Sistemin Seçilmesi 2.5 Modelleme Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS tıklanır Şekil 6 Keypoint Koordinatları Seçimi ( X, Y, Z ) 1. noktanın koordinatı ( 0, 0, 0 ) 2. noktanın koordinatı ( 200, 0, 0 ) 3. noktanın koordinatı ( 200, 0, -10) Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 8
4. noktanın koordinatı ( 0, 0, -10) 1.nokta için Keypoint Number 1 yazılır X,Y,Z koordinatlarına da yukarıda verilen değerler girilir. Ardından Apply butonuna basılır 2.nokta için Keypoint Number 2 yazılır X,Y,Z koordinatlarına da yukarıda verilen değerler girilir. Ardından Apply butonuna basılır 3.nokta için Keypoint Number 3 yazılır X,Y,Z koordinatlarına da yukarıda verilen değerler girilir. Ardından Apply butonuna basılır 4.nokta için Keypoint Number 4 yazılır X,Y,Z koordinatlarına da yukarıda verilen değerler girilir. Ardından OK butonuna basılır Şekil 7 Keypoint Noktalarının Gösterimi Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 9
Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Straight Line seçeneği tıklanır Şekil 8 Çizgi Çizme Komutu ve Çizgiyi Oluşturacak Keypointlerin Seçimi Daha sonra; 1.Yol: Create Straight Line menüsüne 1 yazılıp Apply tıklanır 2 yazılıp Apply tıklanır, 3 yazılıp Apply tıklanır 4 yazılıp OK butonuna basılır 2.Yol: Mouse ile 1 noktası üzerine gelinip nokta seçilir ardından yine Mouse ile 2 noktası sonra 3 noktası ve son olarak 4 noktası seçilir ve Create Straight Line menüsünde OK butonu tıklanır Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 10
Şekil 9 Oluşturulan Çizgiler Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>By Lines seçilir Şekil 10 Çizgilerden Alan Oluşturma Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 11
Daha sonra Mouse ile 1-2 çizgisi, ardından 2-3 çizgisi, sonra 3-4 çizgisi ve son olarak da 4-1 çizgisi seçilip açılmış olan Create Area by Lines menüsünde OK butonuna basılır Şekil 11 Alan Oluşturmak İçin Seçilen Çizgilerin Görünümü Şekil 12 Oluşturulan Alanın Görünümü Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 12
2.6 Eleman Tipi Seçimi Main Menu>Preprocessor>Add/Edit/Delete seçeneği tıklanır Açılan Element Types menüsünde Add seçeneği tıklanır Şekil 13 Element Seçimi Komutu Açılan Library of Element Types menüsünde Shell ardından da Linear Layer 99 seçilip OK butonu tıklanır Şekil 14 Element Türü Belirleme Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 13
Daha sonra; Element tipi seçilmiş durumdadır ve otomatik olarak açılmış menüden Close butonu tıklanır ve menüden çıkılır SHELL99 ile ilgili değerleri girmek için Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete seçeneği tıklanır. Şekil 15 Element Değerlerini Girme Komutu ve Değeri Girilecek Elementin Seçilmesi Daha sonra açılan Real Constants menüsünden Add seçilir. Şekil 16 Element Türünü Onaylama Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 14
Daha önceden seçtiğimiz SHELL99 elementinin değerlerini girmek için OK butonu seçilir 2.7 Tabaka Sayısı ve Açıları Şekil 17 Element Tipini Numaralandırma Şekil 18 Tabaka Sayısı Girme Number of layers değerini 5 olarak girip OK butonuna basılır Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 15
Şekil 19 Tabakaların Açı ve Kalınlık Değerlerinin Girilmesi 10 mm yüksekliği eşit 5 parçaya böldüğümüz için her biri 2mm kalınlığındadır açıları sırayla 45,-45,45,-45,45 olarak girdik. Şekil 20 Değer Giriş Penceresinin Kapatılması Girilen değerler Set 1 olarak kaydolmuş olur ve Close butonuna basarak menüden çıkılır Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 16
2.8 Malzeme Özellikleri Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models seçeneği tıklanır. Açılan menüde Material Models Available kısmında Structural>Linear>Elastic>Orthotropic çift tıklanır. Şekil 21 Malzeme Özelliklerini Girme Komutu ve Orthotropik Malzeme Seçimi Şekil 22 Malzeme Özelliklerinin Girişi Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 17
Elastisite modülü (X) =150000 Elastisite modülü (Y) =11000 Elastisite modülü (Z) =11000 Poisson Oranı (X) =0.24 Poisson Oranı (Y) =0.2 Poisson Oranı (Z) =0.24 Akma Mukavemeti (X) =21000 Akma Mukavemeti (Y) =21000 Akma Mukavemeti (Z) =21000 (Bu değerleri başka bir problemden aldım. Probleme göre gerekli değerler alınmalıdır.) Malzeme özellikleri gerektiği şekilde girilir ve daha sonra OK tıklanıp işlem kaydedilir Yine yukarıdaki Material Models Available kısmında Structural>Density çift tıklanır ve Density değeri 7.83x10-6 olarak girilir. Şekil 23 Yoğunluk Değerinin Girilmesi Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 18
Daha sonra Define Material Model Behavior menüsünden Material>Exit tıklanarak çıkılır Şekil 24 Malzeme Özellikleri Menüsünden Çıkış 2.9 Elemanlara Ayırma Main menu>prepocessor>meshing>mesh tool tıklanır Şekil 25 Elemanlara Ayırma Komutu Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 19
, Mesh tool menüsünde size controls>global>set tıklanır Açılan Global Element Sizes menüsünde; SIZE Element edge length 0 NDIV No. Of element divisions 30 girilir ve OK tıklanır Şekil 26 Elemanlara Ayırma Menüsü Mesh Tool menüsünden Mesh tıklanır ve Mouse ile alan seçilir ve otomatik olarak açılan Mesh Areas menüsünde OK tıklanır ve alan 30 parçaya bölünmüş olur Şekil 27 Elemanlara Ayrılacak Alanın Seçimi Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 20
2.10 Sınır Şartları Kirişi sabitlemek için; MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural> Displacement>OnLines tıklanır ve Mouse ile 4-1 çizgisi seçilir otomatik olarak açılmış olan Apply U,ROT on Lines menüsünde OK butonuna basılır Şekil 28 Sınır Şartlarını Belirleme Komutu (Modeli Sabitleme) Açılan menüde ALL DOF seçili hale getirilir Displacement Value değeri 0 girilir ve OK butonuna basılarak işlem tamamlanır Şekil 29 Sınır Şartlarını Onaylama Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 21
Şekil 30 Modelin Sınır Şartlarının Uygulanmış Görünümü 2.11 Hacim Kazandırma Utility Menu>Plot Ctrls>Style>Size and Shape Şekil 31 Model Şekil Özellikleri Menüsüne Giriş Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 22
Açılan Size and Shape menüsünde Display of Element seçeneği On olarak değiştirilir ve OK tıklanır Şekil 32 Modele Hacimsel Görünüm Kazandırma Şekil 33 Modelin Hacim Kazanmış Görünümü Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 23
2.12 Analiz Tipi Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis seçilir ve açılan New Analysis menüsünde Modal seçili hale getirilip OK butonuna basılır Şekil 34 Analiz Tipi Seçimi Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options seçilir ve açılan Modal Analysis menüsünde Made Extraction Method>Subspace olarak değiştirilir No. Of Modes to Extract>5 Expand Mode Shapes>Yes No. Of Modes to Expand>5 olarak düzenlenip OK butonuna basılır Şekil 35 Analiz Ayarlarını Düzenleme Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 24
Otomatik olarak açılan Subspace Modal Analysis menüsü OK butonuna basılarak devam edilir Şekil 36 Analiz Ayarlarını Düzenleme (2) Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 25
2.13 Çözüm Main Menu>Solution>Solve>Current LS seçilir açılan Solve Current Load Stop menüsünde OK butonuna basılır Şekil 37 Çözümleme Komutu ve Çözümleme Adım Başlangıcı Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 26
2.14 Sonuçların Görülmesi İlk adımdaki sonucu görmek için Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set tıklanır Şekil 38 İlk Sonucu Okuma Komutu (1. Mod) Kirişteki deformasyonu görmek için; Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape tıklanır ve açılan menüde Def+undef edge seçili hale getirilip OK butonuna basılır Şekil 39 Deformasyonu Görme Komutu ve Seçenekleri (1. Mod) Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 27
Şekil 40 Deformasyonun Görüntüsü (1. Mod) İkinci Adımdaki Sonucu Okuma Komutu (2. Mod) İkinci sonucu görmek için; Main Menu>General Postproc>Read Results>Next Set tıklanır Deformasyonu Görme Komutu ve Seçenekleri (2. Mod) Kirişteki deformasyonu görmek için; Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape tıklanır ve açılan menüde Def+undef edge seçili hale getirilip OK butonuna basılır Şekil 41 Deformasyonun Görüntüsü (2. Mod) Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 28
Benzer şekilde diğer modlardaki sonuçlar görülebilir. Şekil 42 Deformasyonun Görüntüsü (3. Mod) Şekil 43 Deformasyonun Görüntüsü (4. Mod) Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 29
Şekil 44 Deformasyonun Görüntüsü (5. Mod) Kirişin analizini animasyon olarak görebilmek için Utility Menu>Plot Ctrls > Animate > Mode Shape tıklanır Şekil 45 Animasyon Görünümü Seçeneği DOF Solution>Def+Undef Edge seçili hale getirilip OK butonuna basılır Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 30
Şekil 46 Animasyon Ayarları Serbest Titreşim Analizi (Tabakalı Kompozit) 20.02.08 31