T.C. DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ÇELİK MALZEME (İKİ BOYUTLU) BURKULMA ANALİZİ HAZIRLAYAN: Orhan KESKİN Danışman: Prof. Dr. Mehmet ZOR MAYIS, 2012 İZMİR
İÇİNDEKİLER GİRİŞ......... 4 1. Başlangıç......... 4 1.1 Ansys 14 Workbench Programının Açılması...... 4 1.2 Program Modüllerinin Tanıtımı... 4 1.3 Analiz Çeşitleri ve Seçimi... 5 1.4 Geometrik Model (DesignModeler) Ekranının Tanıtımı... 7 1.5 Mechanical penceresi ve İşlevi... 8 2. Çelik Malzemede Burkulma Analizi... 9 2.1 Problemin Tanıtımı... 9 2.2 Analiz Çeşidini Seçme... 9 2.3 Engineering Data... 10 2.4 Geometry... 11 2.5 Model... 12 2.6 Solution... 15
ANSYS WORKBENCH ANSYS Workbench platformu, ileri mühendislik simülasyon teknolojisinin üstün bilgi birikiminin üzerine kurulmuş bir sistemdir. Yenilikçi proje şeması görüntüsü, kullanıcının, tüm simülasyon işlemini, sürükle-bırak basitliğiyle zorlu multiphysics analizlerinde bile yol göstererek, tek ekranda yapmasını sağlar. ANSYS Workbench platformu; çift yönlü CAD etkileşimi, güçlü ve otomatik ağ yapısı, her adımda güncelleme mekanizması, gelişmiş parametre yönetimi, etkileşimli optimizasyon araçları ile simülasyon tabanlı ürün gelişimini etkinleştirerek eşi görülmemiş bir üretkenlik sağlar. ANSYS 12 sürümü ile var olan ANSYS Workbench ekranı yeniden tasarlanmıştı. ANSYS 14 ile bu yenilikler daha da arttırılmıştır. Yenilikçi bir proje şeması görüntüsü mühendislerin simülasyonla çalışma şeklini değiştiriyor. Projeler, akış şeması şeklindeki bir diyagramda bağlı sistemler halinde grafiksel olarak gösteriliyor. Kullanıcılar bir bakışta mühendislik amacını, veri ilişkilerini ve analiz projesinin durumunu kolayca anlayabiliyor. Yeni proje sistemi ile çalışmak basittir: Soldaki araç kutusundan istenen analiz sistemi sürüklenir ve proje şemasına kolayca bırakılır. Bütün analiz sistemleri, yukarıdan aşağıya doğru çalışırken analiz işlemi sırasında size yol gösteren gerekli bileşenleri içerir. Şirketler benzersiz teknik birikimimizi kullanan mühendislik simülasyon çözümlerimiz ile öncelikli tasarım konseptlerini, yenilikçi ürünlere ve iş gören süreçlere dönüştürüyor. Bugün, "FORTUNE Global 500" deki ilk 100 endüstriyel şirket, küresel rekabetçi ortamda kazanan olmak için anahtar strateji olarak mühendislik simülasyonlarına yatırım yapıyor. Bu şirketler; zorlu mühendislik sorunlarını çözmek için dünyanın en kapsamlı multi-fizik çözümlerini uygulayarak ANSYS'i simülasyon ortağı olarak seçiyorlar.
1. BAŞLANGIÇ 1.1 Ansys 14 Workbench Programının Açılması Baslat (Start )>Tüm Programlar > ANSYS 14>Workbench Şekil-1 Microsoft Windows 7 isletim sistemi üzerinde ANSYS 14 Menüsü 1.2 Program Modüllerinin Tanıtımı Program açıldığında Şekil-2 de görüldüğü gibi modüllerin bulunduğu sayfa açılır. Şekil-2
1.3 Analiz Çeşitleri ve Seçimi Projeye hangi analizi yapacağımızı Analysis Systems butonuna bastıktan sonra altta çıkan analiz türlerinden bir tanesini seçeriz. Seçtiğimiz analiz çeşidini fare ile sürükleyerek Şekil-3 de görüldüğü gibi sağa taşırız.(üzerine çift tıklayarak analiz çeşidini seçebiliriz.) Şekil-3 Analiz çeşidini sağa taşıdıktan sonra Şekil-4 teki gibi A penceresi açılır. Şekil-4
Açılan A penceresinde proje ile ilgili yapılacak olan işlemler görülmektedir. A penceresinin ismini değiştirmek ya da projeye yapılan analiz işlemini değiştirmek için pencerede sol üst kutucuğa basılır. Gerekli işlemler yapılır. Tekrar A penceresine dönersek 2. kutudaki Engineering Data butonunu tıkladığımızda projenin verileri ile ilgili bir pencereler sistemi açılır ve buradan malzeme özelliklerini Ansys programının atadığı gibi kullanabiliriz ya da kendimiz yeni veriler girebiliriz (Şekil-5). Şekil-5 Malzemenin özelliklerini sol tarafta bulunan Toolbox penceresinden görebiliriz ve gerekli değişiklikleri yapabiliriz. Toolbox penceresinden yaptığımız değişiklikleri sağ alt taraftaki grafikte girdiğimiz değişkenlere bağlı olarak program bize grafik verecektir.(şekil-6) Şekil-6
Malzeme seçimlerimizi bitirdikten sonra " Return to Projeckt" diyerek ana menümüze geliriz. Engineering Data ya gerekli veriler girildiğinde sağ tarafında yeşil check işaretinin oluştuğun görürüz. 1.4 Geometrik Model (DesignModeler) Ekranının Tanıtımı A penceresinde Engineering Data nın hemen altında Geometry butonu yer alır. Programda herhangi bir çizim yapmadığımız ve programa bir çizim yüklemediğimiz için sağ tarafında? işaretini görürüz. Geometry butonunu sağ tıkladığımızda açılan sekmede yeni geometri oluşturabiliriz, "Import Geometry" ile Solid, NX vs. gibi programlarda çizilen parçaları Ansys'e çağırabiliriz. (Şekil - 7) Şekil - 7 Geometry butonuna tıkladığımızda Sekil-8 deki yeni pencere açılır. Bu pencere Ansys 14 Workbench programının Design Modeller penceresidir. Bu pencerede hangi birim ile çalışacağımızı girdiğimiz sekme açılır ve birimimizi seçeriz. Şekil - 8
Birimimizi seçtikten sonra pencerenin sol tarafında Modelling ile Sketching arasında geçiş yapıp çizim oluşturmaya başlarız. Çizim yapmak için açtığımız Modelling Designer sayfasında Sketching Toolbox ile çizimimiz için gereken elemanlar ile çizimi yaparız. Toolbox ta bulunan Modify sekmesi ile çizimimizde gerekli değişiklikleri yaparız.(sekmeyi aktif hale getirmek için üstüne tıklamamız yeterli olacaktır. Tekrar Draw sekmesini tıklayarak çizime dönebiliriz.) Dimensions sekmesi ile çizimimizi ölçülendirebiliriz. Böylece istediğimiz boyutlardaki parçayı elde etmiş oluruz. Constraints sekmesi ile çizimimizde bize yardımcı olan elemanları kullanabiliriz.örnek olarak diklik, paralellik, simetriklik, sabitlik(fixed)... Settings butonu ile mikro ve makro alanda ayarlarımızı yapabiliriz. Design Modeller ile yaptığımız çizimi kaydettiğimizde Ansys Workbench teki Geometry sekmesinin yanındaki? işaretinin yeşil check işaretine dönüştüğünü görürüz. 1.5 Mechanical Penceresi ve işlevi A Penceresinde Geometry sekmesinin altındaki Model sekmesini tıklayarak Mechanical sayfası açılır. (Sekil- 9) Şekil - 9 Açılan Mechanical sayfasında proje yüklendikten sonra ve gerekli işlemler yapıldıktan sonra Solve butonuna basarak çözüm oluşturulur. Daha sonra Setup ve Solution yolları izlenerek Results ile sonuçlara ulaşılır. Simdi yukarıda anlatılanları daha iyi anlamak için Workbench de küçük bir uygulama yapalım.
2.ÇELİK MALZEME BURKULMA ANALİZİ (İKİ BOYUTLU) 2.1 PROBLEMİN TANITIMI Malzemesi çelik olan, bir taraftan ankastre diğer taraftan birim kuvvet için kritik burkulma kuvvetini bulmaya çalışacağız. Malzememiz 400mm uzunluğunda 50 mm eninde ve 2 mm kalınlığındadır bir dikdörtgen prizma. İlk önce iki boyutlu analiz yaptığımızdan analiz çeşidine geçmeden bazı ayarlar yapmamız lazım. Şekil 10 da görülen Tools > Options seçeneğini tıklıyoruz ve Options penceresi açılıyor. (Şekil 11) Bu pencerede solda Geometry Import tıklıyoruz. Analysis Type kısmını 2D yapıyoruz. Böylelikle artık yapacağımız analizler iki boyutlu oldu. Şekil - 10 Şekil - 11 2.2 ANALİZ ÇEŞİDİNİN SEÇİMİ Toolbox menüsünden Analysis sekmesi altında bulunan Static Structural (ANSYS) analiz çeşidini seçiyoruz. Analiz çeşidinin üstüne çift tıklayarak ya da fare ile tutup Project Shematic penceresine taşıyabiliriz. Daha sonra Linear Buckling analizini Static Structural (ANSYS) ile birleştiriyoruz. Bu birleştirme işlemi Linear Bucklingi farenin sol tuşuyla tutup Static Structural (ANSYS) in Solution sekmesine bırakıyoruz. Böylelikle iki analiz birbirlerine bağlanmış olur. ( Şekil -12 )
Şekil -12 2.3 ENGİNEERİNG DATA Engineering Data analizini yapacağımız parçanın malzeme özelliklerinin seçildiği bölümdür. Bizim malzememiz çelik. Outline of schematic kutucuğunda Structural steel (Çelik) malzemelerimiz görünmekte. Structural steeli çift tıklayarak ismini değiştirebiliriz. Biz bu ismi Çelik olarak değiştiriyoruz. Hemen altındaki kutucukta çeliğin özellikleri bulunmaktadır. İstersek bu özellikleri değiştirebiliriz. ( Şekil - 13) Şekil - 13
2.4 GEOMETRY Geometry butonuna tıklayalım. Ansys Workbench Design Modeler penceresi açıldı. Bu sayfada geometriyi oluşturacağız. Sol üstteki pencereden (XYPlane) seçili iken, sağ üstteki Look At Face/Plane Sketch tuşuna basalım. Kesitimizi bu düzlemde oluşturacağız. (Şekil-14) Şekil - 14 Sketching >Draw>Rectangle : Komutu ile ölçüsüz bir dikdörtgen çizdik.( Şekil - 15) Sketching>Dimensions: Komutu ile çizdiğimiz dikdörtgene horizontal ve vertical seçenekleriyle dikdörtgenin köşelerini tıklamak suretiyle ölçülendirme yaptık. Şimdi gerçek ölçüleri gireceğiz. H5 ve V6 değerlerine bizim analizini yapacağımız çeliğin ölçü değerlerini girdik. Çeliğimizin ölçüleri : ( 400x50 ) Şimdi yüzeyimizi oluşturacağız. (Yukarıdaki kompozit malzeme için bu işlemi yapmıştık.) Bunun için Desing Modeller ana menüsünden Consept bölümündeki Surfaces From Sketches i tıklıyoruz. Daha sonra ister çizdiğimiz dikdörtgenimizin kenarlarını tek tek seçeriz, istersek XYPlane altında Sketch1 seçeneğini tıklarız ve Apply diyerek oluşturacağımız yüzey ölçülerini seçmiş oluruz. En son olarak ta Generate diyerek yüzeyimiz oluşur.(şekil 16 )
Şekil - 15 Şekil - 16 2.5 MODEL Ansys Workbench ana sayfasındaki A menüsünde aynı zamanda birbirine bağlı olduğu için B menüsünde Geometry sekmesinin yanında check işareti çıktı.daha sonra bir sonraki sekme olan Model butonuna basıyoruz ve Mechanical sayfası açılıyor. Mechanical penceresinde geometri ve Static Structural yanında soru işareti (?) bulunmakta. Bu soru işaretlerinin anlamı bazı yerlerde hata yaptığımızı yada eksiklik yaptığımızı gösteriyor. Geometriyi > Solid tıklıyoruz. Şekil 17 de görülen sarı zeminli bölmeden geometrisini çizdiğimiz parçanın malzemesini seçiyoruz. ( Çelik )
Şekil - 17 Meshing : Outline penceresinin altındaki Mesh sekmesine fare ile sağ tıklıyoruz. Mesh > İnsert > Method tıklıyoruz. Mesh işlemi için metod belirliyoruz.(şekil 18) Details of Method kısmında, Geometry kısmı sarı zeminli olduğundan aktiftir. No Selection kısmını tıklayıp, parçayı seçeriz ve sonra Apply tuşuna basarız. ( Şekil 19 ) Şekil - 19 Şekil - 18 Details of Method kısmında, Geometry kısmı sarı zeminli olduğundan aktiftir. No Selection kısmını tıklayıp, parçayı seçeriz ve sonra Apply tuşuna basarız. Method kısmında da Triangles seçersek üçgen, Quadrilateral Dominant seçersek dörtgen şekilli elemanlara böler. Biz bu örnekte Triangles seçelim. Details de Geometry>No Selection kutucuğunu tıklayıp Apply tuşunun görünmesini sağladıktan sonra, parçayı ekrandan tıklayıp seçelim. Element size a ise eleman boyutunu gireceğiz. Buraya da 0,002 girelim. (Ondalıklı sayılarda nokta değil virgül kullanmaya dikkat ediniz) Bu elemanın bir kenarının alması gereken maksimum uzunluğu gösterir. Böylece parçamız elemanlara ayrılmaya hazır hale geldi.
Tree Outline da Mesh üzerine sağ tıklayıp, Generate Mesh i seçersek modelimizi elemanlara ayırma işlemini yaptırırız. (Bu işlem bittiğinde elemanlar görünmüyorsa Tree Outline daki Mesh butonuna basınız.) Aşağıdaki Sekil-20 de Mesh işleminde çıkan ekran görülmektedir.bu işlem parçanın geometrisine göre farklı sürelerde zaman alabilir.bu işlemin başarılı olabilmesi için işlemin bitmesi beklenmelidir. Şekil - 20 Analiz için Sınır Şartların Girilmesi : Static Structural (sag tus) > Insert > Fixed Support : Sol kenarı tıklayıp sol alttaki Details kısmında Apply tuşuna basalım ankastre olarak bu kenarı seçelim. Static Structural (sag tus) > Insert > Force : Parçamızın sağ tarafını tıklayıp Details kısmında Apply tuşuna basalım. Define By kısmından Components seçelim. X koordinatına -1 Newton girelim. Böylelikle sınır şartlarımızı girmiş olduk.( Şekil 21 ) Şekil - 21
2.6 SOLUTİON Çözümü yapmadan önce Solution kısmında ne tür sonuçlar istediğimizi tanımlarız. Lineer buckling analizi yapacağımız için Static Structural bölümünde herhangi bir analiz yapmıyoruz. Lineer buckling de deformasyon analizi yapacağız.(şekil 22) Şekil - 22 Solution (sag tus) > Solve komutuyla çözümümüz baslar. Aşağıdaki gibi bir pencere çözüm sırasında gözükecektir.( Şekil 23 ) Şekil - 23 Sonuçların Görüntülenmesi Outline da Solution a eklediğimiz sonuçların üzerine tıklarsak modelde bu sonuçların dağılımını görebiliriz. Model üzerinde her değer farklı bir renk ile temsil edilir. Sol üst kösede ise bu renk skalasını görebiliriz. Sonuç ekranında Load Multiplier değeri bizim Çelik için Kritik Burkulma Kuvvetimizdir. ( Şekil 24 )
Şekil - 24