T.C. DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KOMPOZİT LEVHADA PİM ANALİZİ ARAŞTIRMA PROJESİ Aydın DELİBALTA Projeyi Yöneten Prof. Dr. ONUR SAYMAN Ocak, 2005 İZMİR 1
KOMPOZİT MALZEMELER İstenen amaç için tek başlarına uygun olmayan, kimyasal bileşenleri farklı, birbiri içerisinde pratik olarak çözünmeyen iki veya daha fazla malzemeyi, kullanım yerindeki aranan özellikleri verebilecek duruma getirmek için belirli şartlar ve belirli oranlarda fiziksel olarak birleştirerek oluşturulan malzemelere kompozit malzemeler denir. Kompozit malzemelerde çekirdek olarak fiber kullanılmaktadır. Bu malzemenin çevresinde hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan matris kullanılmaktadır.bu iki malzeme grubundan fiber malzeme, kompozit malzemenin mukavemet ve yük taşıma özelliğini sağlamaktadır.matris malzeme nin ise iki ana rolü vardır.plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici rol oynamakta ve kompozit malzemelerin kopmasını geciktirmektedir. Diğer kullanım amacıda, fiber malzemeleri yük altında bir arada tutabilmek ve kompozit malzemeye gelen yükün liflere homojen olarak dağılmasına olanak verir. KOMPOZİT MALZEMELERİN AVANTAJLARI Kompozit malzemelerin önem kazanmaları bunların diğer malzemelere göre değişik özelliklere sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Bunlar;çekme, basma, akma, sertlik,tokluk,yorulma gibi mekanik özellikler, elektrik iletkenliği, magnetik özellikler v.b fiziksel özelliklerdir. Kısaca Bu özellikleri şu şekilde açıklayabiliriz. Yüksek Mukavemet: Kompozitlerin çekme, basma ve eğilme mukavemetleri birçok metalik malzemeye göre oldukça yüksektir.ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı, kompozitlere istenen yönde ve istenen bölgede gerekli dayanım verilebilir. Elektriksel Özellikler: Uygun malzemelerin seçilmesiyle çok üstün elektriksel özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilir. 2
Isıya ve Ateşe Dayanıklılık: Isı iletim katsayıları düşük malzemelerden oluşabilen kompozitlerin ısıya dayanıklılık özellikleri, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak tanımaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile ısıya dayanımları arttırılabilir. Kalıcı Renklendirme: Kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir.bu işlem ek bir masraf ve işçilik gerektirmez. Titreşim Sönümleme: Kompozit malzemelerde, süneklik nedeniyle doğal bir titreşim sönümleme ve şok yutabilme özellikleri metallere göre oldukça fazladır. Çatlak ilerleme olayı da böylece azaltılmış olmaktadır. KOMPOZİT MALZEMELERİN DEZAVANTAJLARI Oluştuğu bir malzemenin kötü bir özelliği direk olarak kompozit malzemeyi de olumsuz etkilemektedir.örneğin matris yüksek sıcaklıklarda çalışamıyorsa dolayısı ile onun oluşturduğu kompozite de bu olumsuzluktan etkilenir ve yüksek sıcaklıklarda çalışamaz. Kompozit malzemelerde şu tür dezavantajlar görülmektedir. Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri, malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz yönde etkiler. Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik özellik gösterirler. Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez. İyi tanımlanmamış parametreler varsa, bundan dolayı ham malzeme açısından en yüksek imalat verimliliğine ulaşılamaz. KOMPOZİT MALZEMELERİN GÜNÜMÜZDEKİ KULLANIM ALANLARI 3
Genellikle fazla ağırlık istenmeyen fakat fazla mukavim olması gereken yerlerde metallerin yerine kullanılmaktadırlar. Ev Aletleri: Masa, sandalye, televizyon kabinleri, dikiş makinesi parçaları,saç kurutma makinesi gibi çok kullanılan ev aletlerinde kullanılmaktadır. Bu şekilde, komple ve karmaşık parça üretimi, montaj kolaylığı, elektriksel etkilerden korunum ve hafiflik gibi avantajlar sağlamaktadır. Elektrik ve Elektronik Sanayi: Kompozitler, elektronik, elektroteknik ve elektrik sanayinde amaca uygun özellikleri ve taşıdığı üstün nitelikler nedeniyle (izolasyon gibi) her türlü malzemelerin yapımında, üretim malzemesi olarak kullanılmaktadır. Havacılık Sanayi: Bu alanda kompozitler gün geçtikçe daha geniş bir uygulama alanına sahip olmaktadır. Planör gövdesi, uçak modelleri, uçak gövde ve iç dekorasyonu, helikopter parçaları ve uzay araçlarında başarıyla kullanılmaktadır. Bu kompozit malzemelerde, yüksek özgül mukavemete sahip malzeme üretimi sayesinde olmaktadır. Havacılıkta da böyle malzemelere büyük ihtiyaç duyulmaktadır. Daha hafif malzemeyle atmosfer şartlarına dayanım ve yüksek mukavemet sağlanmaktadır. Otomotiv Sanayi: Bu alanda kullanılan başlıca ürünler, otomobil kaportası parçaları, iç donanımı, bazı motor parçaları, tamponlar ve lastiklerdir. İş Makinaları: İş makinelarının koruma kapakları ve çalışma kabinlerinde kullanılmaktadır. Bu şekilde üretimde kullanılan parça sayısı malzemelerinden de tasarruf sağlanmaktadır. İnşaat Sektörü: Burada da kompozitler önemli kullanım alanına sahiptirler. Cephe korumaları, soğuk hava depoları, inşaat kalıpları birer kompozit malzeme uygulamalarıdır. İzolasyon problemleri çözülmekte ve bakım giderleri azalmaktadır. MALZEME ÖZELLİKLERİ Kompozit malzemelerin özelliklerini belirleyen dört temel faktör vardır. Bunlar; fiber özellikleri, matriks özellikleri, arayüzey ve mikroyapı özellikleri olarak sayılabilir. Kompozit malzeme en basit şekliyle sürekli doğrusal bir fiber ve fiberle yapışık olarak katılaşmış bir matriks malzemeden meydana gelmektedir. Kompozit malzemeler matriks ve fiber 4
malzemelerin gerekli şartları sağlayan çeşitli kombinasyonları ile oluşturulur. Kompozit malzemede fiberlerin takviye açısına göre malzeme mukavemeti değişmektedir. a) Fiberler Takviye malzemesi olarak kullanılan fiberler, takviye doğrultusunda mukavemet, rijitlik, sürünme ve yorulma gibi mekanik özellikleri ve iletkenlik, genleşme gibi ısıl özellikleri ile elektriksel özellikleri belirler. Isı ve elektrik akımı direncin düşük olduğu yerlerden geçme eğiliminde olduğundan ısıl ve elektriksel iletim özellikleri cam, aramid, seramik, fiber kullanılması durumunda matriks malzemelerinkine yakındır. Karbon fiberler gibi iletim özelliği iyi olan fiberlerin kullanıldığı kompozitlerde ise fiber malzemesinin özelliklerine yakınlık gösterir. b) Matriksler Matriks malzeme fiziki olarak fiberlere göre daha zayıf ve ekonomik olarak da daha ucuzdur. Bununla beraber kompozit malzeme açısından çok önemlidirler. Matriks malzeme fiberlerin yüzeylerini korur ve bir arada durmalarını sağlar. Gerilmeler matriks malzeme vasıtasıyla diğer makine elemanlarından fiberlere veya fiberlerden diğer makine elamanlarına aktarılır. Matriks malzeme aynı zamanda fiberlerde oluşan çatlakların büyümesine engel olarak kompozitlerin gerilme altında uzayabilmelerini belirleyen kısım olmaktadır. Takviye yönüne dik doğrultuda kompozitin özellikleri matriks malzeme tarafından belirlenir. Ayrıca kayma davranışı, basınç dayanımı, çarpma ve tokluk özelliklerinde de belirleyici unsur matriks malzemesidir. Matriks malzemesi kompozitin nem, ısı ve kimyevi maddeler gibi çevre etkilerine ilk maruz kalan kısmı olduğundan korozyon dayanımı, absorbsiyon gibi çevre etkilerine karşı özellikleri de belirlemektedir. Örneğin, 200 0 C üzerinde özellikleri kararlı olmayan bir fiber, çok daha yüksek sıcaklıklara dayanabilen ve ısıl iletkenlik özellikleri iyi olmayan bir matriks içinde yüksek sıcaklıkta kullanılabilen, mukavemeti yüksek bir kompozit oluşturabilmektedir. Matriks malzemelerde oluşan Sürünme ve Relaxation (yüksek sıcaklıklarda) aşağıdaki şekilde gösterilmiştir 5
Sürünme (Creep) Uygulanan Gerilme (σ) Sabit Gerilme Zaman (t) Birim Şek. Değiştirme (ε) Viskoz Akış Elastik Zaman (t) 6
Relaxation (Stress) Birim Şek. Değiştirme (ε) Sabit Değer Zaman (t) Uygulanan Gerilme (σ) Viskoz Akış Elastik Zaman (t) 7
c) Arayüzey Kompozit malzemenin üçüncü bir elemanı fiber-matriks ara yüzeyidir. Ara yüzey, kalınlığı 0.1 µ dan daha az olabilen tabakadır. Fiber ve matriks malzeme özelliklerine bağlı olarak ara yüzey bağ gerilmesi birkaç MPA ile 100 MPA arasında değişmektedir. Bağ gerilmesi kompozitin takviye doğrultusunda dik yönde kayma özelliğini ve burkulma özelliğini belirleyen faktörlerden biridir. d) Mikroyapı Kompoziti oluşturan fiber ve matriks mikroyapıları kendilerinden beklenen özellikler doğrultusunda ayrı ayrı ele alınmalıdır. Bir fiberden beklenen özellikler mukavemet, rijitlik ve düşük özgül ağırlık yanında uygulama yerine göre ısıl, elektriksel ve korozif özelliklerinin iyi olmasıdır. Ayrıca arayüzey teşkili özelliği de kontrol edilebilmelidir. ANSYS 5.4 İLE GERİLME ANALİZİ Program, bir çeşit tümevarım yöntemi esasına dayanmaktadır.sonlu elemanlara ayırma yöntemi ile sonuca gidilir. Sonlu elemanlar metodunun temel prensibi, bir elemana ait sistem özelliklerini içeren denklemlerin çıkartılıp, daha tüm sistemi temsil edecek şekilde eleman denklemlerini birleştirerek sisteme ait lineer denklem takımının elde edilmesidir.bu program ile mekanik, ısı, akış, titreşim problemlerin analizi yapılmaktadır.bu sayede çeşitli yükleme ve ortam şartlarında emniyetli bir biçimde çalışılabilecek malzemeler minimum maliyetle üretilebilir. ANSYS MENÜLERİ 1. ANSYS Utility Menü : Bu menü aşağıda açıklanacak şekilde alt menülerden oluşmuştur. File : Bu kısımda yeni bir çalışmaya başlama, daha önceden kaydedilmiş dosyaları çağırma, yapılan yeni çalışmayı kaydetme, başka bir tasarım programında hazırlanmış karmaşık yapıdaki bir parçayı çağırma gibi işlevler gerçekleştirilir. Select : Bir model üzerinde çalışırken bazen bir takım kısımların (alanlar, düğüm noktaları, çizgiler vb ) genel görünümünden ayrı olarak incelenmesi 8
gerekmektedir. Seçim yöntemlerinin çeşitliliği tasarım sırasında kolaylık sağlamaktadır. List : Bu menü sayesinde hazırlanan model üzerinde nokta, çizgi, alan, hacim, eleman, kuvvet, basınç, malzeme özellikleri ve ana serbestlik derecelerin listesi alınabilir. Plot : Modelin nokta, çizgi, alan, keypoint ve elemanlarının tek başlarına yada toplu halde gösteriminin ayarlandığı menüdür. Plot Controls : Bu menüden, modelin grafik ekrandeki görüntüsü çeşitli şekillerde değiştirilebilmektedir. WorkPlane : Başlangıçta kullanılan kartezyen kordinat sistemi bu menü yardımıyla istenilen eksen takımlarına dönüştürülebilir. Kordinat sistemlerini ötelemek ve döndürmek de olanaklıdır. Macro :Diğer programlarda olduğu gibi Ansys programında da kullanılmak üzere makrolar bu menü ile oluşturulup çağırılabilmektedir. Menü Controls : Ekrandaki menülerin açılması ve kapanması işlemlerinin yapılmasına olanak sağlar. Help : Program bölümleri, komutları ve genel kordinatları hakkında bilgi almaya yarayan menüdür. 2. Ansys Main Menü : Bu menü programın kullanılmasını sağlayan temel menüdür. Bu menü sayesinde Parça fiziksel özellikleri programa tanıtılır, model oluşturulur, elemanlara ayırma işlemi gerçekleştirilir, analiz çözümlenir ve sonuçlar incelenerek gerekli diyagramlar alınabilir. 9
3. Ansys Graphics : Modelin oluşturulduğu ve üzerinde çalışılan ekrandır. 4. Ansys Input : Ansys programında model sadece ana menüdeki komutlar kullanılarak değil de komut satırı şeklinde yazılarak da oluşturulabilir. İşte bu komutların yazıldığı menü input menüsüdür. 5. Ansys Output : Kalavye yada Mouse ile girilen tüm komutlar karşısında programın verdiği tepkiler ve yaptığı işlemler bu pencerede yer almaktadır. 6. Ansys Toolbar : Bu pencerede Yapılan işlemlerin kaydedilmesi, herhangi bi hata anında geriye dönülebilmesi gibi işlemler gerçekleştirilmektedir. PROBLEMİN TANIMLANMASI 10
E/D oranı 1 ve W/D oranı 4 olan dikdörtgen şekilli ve içinde pim deliği bulunan kompozit plakada pim deliği çevresindeki gerilmeler ve deplasmanlar Ansys programı ile incelenecektir. E/D=1, W/D=4, D=10 mm, L=200 mm olarak verilmektedir. verilmiştir. 1 yönündeki Elastisite Modülü ( fiber yönündeki ) : E 1 =35.1 GPA 2 yönündeki Elastisite Modülü ( matriks yönündeki ) : E 2 =E 1 =35.1 GPA olarak Kayma Modülü : G 12 =4.97 GPA Poisson Oranı : υ 12 =0.24 olarak verilmiştir. ANSYS İLE PROBLEMİN ÇÖZÜMLENMESİ Analiz Tipinin Belirlenmesi : Bunun İçin Main Menü > Preferences den Structural (yapısal analiz ) seçilir.ayrıca Main Menü > Solution > New Analizy den açılan pencerede static seçilir. Burada çeşitli analiz tipleri de mevcuttur. 11
Elemanın Tipinin Belirlenmesi ve Özellikleri : Main Menü > Proprocessor > Element Type > Add / Edit / Delete buradan eleman seçeceğimiz için Add butonuna basılır ve açılan pencerede Solid-Plane 42 elemanını seçilir. Plane 42 düzlem gerilme problemi şeklinde çözülmektedir. Bunun için Options komutundan Plane Stress with thickness komutu seçilmektedir.levha kalınlığı 2 mm dir.daha sonra Real Constant butonundan levha kalınlığı 2 mm olarak girilir. 12
Kalınlığın belirtilmesinin ardından Malzeme Özellikleri Material Properties kısmından belirtilir.levha Ortotropik tir. Yani 3 eksende de simetri vardır. ( Değerler MPA a çevirildi ) Modelin Oluşturulması : Ansys ile modelleme işlemi birçok şekilde yapılabilir.oluşturulacak model önce geometrik olarak kurulur. W/D = 4 ve E/D = 1 olan dikdörtgen şekilli kompozit plakanın modelini oluşturalım. Preprocessor > Create > Rectangle > By 2 Corners X(0,200) ve Y(0,40) koordinat değerleri girildiğinde 200 mm genişliğinde ve 40 mm yüksekliğinde bir dikdörtgen oluşmaktadır. 13
Dikdörtgen plaka içerisinde daire (pim deliği) oluşturmak için; Preprocessor > Create > Circle > Solid Circle WPx = 190 ; Wpy = 20 ; Radius = 5 Pim deliği için çizilen daire, dikdörtgenin alanından çıkartılır. Preprocessor > Operate > Subtract > Areas ( Burada önce dikdörtgen,apply daha sonra daire, okey tıklanır) 14
Elemanlara Ayırma İşlemi Mesh : Oluşturulan modellerin analizini yapabilmek için yani sonlu çözümünü gerçekleştirebilmek için modelin sonlu sayıda elamana bölünmesi gerekmektedir. Ansys programında elemanlara Ayırma işlemi Mesh komutu ile olur. açılır. Preprocessor > MeshTool ile Mesh yapma komutlarına kısa yoldan ulaşılacak pencere Global Set butonuna bastığınızda açılan kutucuktaki ilk pencere SIZE ye bir rakam girilir. Bu rakam ise bir elemanın bir kenarının maksimum uzunluğu olarak düşünülebilir. Alan veya hacim boyutlarına bağlı olarak uygun bir değer girilmelidir. Mesela bu örnekte SIZE = 3 girilebilir. Bir kenarı 3000 birim uzunluğundaki bir alan için ise bu rakam 100-150 gibi değerler alabilir. Seçilen elemanın özelliğine bağlı olarak, eleman şeklinin üçgen (Tri) veya dikdörtgen (Quad) yüzeyli olmasını sağlar. Mutlaka birisi seçilmelidir.bizim problemde yukarıdaki şekilde seçilmiştir. Mesh butonuna basılsıktan sonra pick all denilerek veya model seçilip okey denilerek model elemanlara ayrılmıştır. 15
Ek Bilgi : Plane 42 ; iki boyutlu katı yapıların modellenmesinde kullanılmaktadır. Düzlem eleman (düzlem gerilme veya düzlem şekil değiştirme(germe) ) veya aksisimetrik elemanlarda kullanılabilmektedir. Dört düğüm noktası ile tanımlanmaktadır. Her düğümde iki serbestlik derecesine sahiptir. X ve Y koordinatlarında tanımlanır. (Quadritik eleman kullanılmıştır) Sınır Şartlarının Verilmesi : İlk olarak plakamızın sol tarafındaki düğüm noktaları tüm yönlerde ( ALL DOF ) sınırlanmıştır.bu işlem için ; Solution > Apply > Displacement > On Nodes > Box seçilerek sol taraftaki tüm düğüm noktaları seçilir. Apply Komutu ile ALL DOF tıklanarak okey tıklanır. Böylece plakamızın sol tarafı ankastre hale getirilmiştir. 16
(ALL DOF) Şimdi sırada sisteme yük uygulamaktadır. Yükümüz aşağıda gösterildiği şekilde uygulanmıştır. Solution > Apply > Force/Moment > On Nodes dan ilgili düğümler seçilerek kuvvetler uygulanmaktadır. Tam merkezden 60 N, diğer iki düğümden de yatayda 23.1 N, düşeyde 11.55 N kuvvet uygulanmıştır.bu kuvvetler merkezle 30 o açı yapacak şekilde uygulanmıştır 17
Çözümleme : Kuvvetlerimiz uygulandıktan sonra program çözüm yapmaya uygun verilerle donatılmış olur. Son olarak ; Solution > Solve / Current LS komutu ile girdiğimiz datalara göre program çözüm yapmaya başlar Sonuçların Okunması : Yapılan çözüm sonucunda plaka üzerindeki deplasman ve gerilme dağılımını görmek için ; General Process > Plot Results > Nodal Solution kısmında dof Solution ve stres kısmı seçilerek deplasman ve gerilmeler görünebilir. İstenen node lardaki gerilme grafiklerini görmek için ; Path Operation > Define Path > On Working Plane (Gerilme grafiği görünmek istenen node lar seçilir ve bir isim verilir) Map on the Path > On Graph (Önceden isim verilip belirtilen yönlerde ve düzlemdeki gerilme grafiği çizdirilir) X yönündeki deplasmanlar Y yönündeki deplasmanlar 18
X yönündeki normal gerilme dağılımı Y yönündeki normal gerilme dağılımı 19
XY düzlemindeki kayma gerilmesi dağılımı Von-Mises gerilme dağılımı 20
AA kesitindeki X,Y ve XY yönündeki gerilme dağılımları aşağıdaki şekilde grafiğe dökülmüştür : 21
22
23