Ana sayfa   Sponsorlarımız:
         
     
Rapor - Makale > CAD/CAM/CAE > Taşıt kavraması kapağında pedal kuvveti altında oluşan elastik şekil değişiminin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi:

Yayın sehime bağlı baskı kuvveti karakteristiği, Şekil 7'de görülen test düzeneğiyle elde edilmiştir. Bu cihazda, parçanın yalnız başına ya da kapağa bağlanmış durumdaki kuvvet ve şekil değişimi ölçümleri yapılabilmektedir. Prensip şeması Şekil 8'de verilen yay yükleme testinde diyafram yay mesnet halkası çapından Z ekseninde sabitlenmiş, parçanın taban kısmı, baskı plakasının eteğe temas ettiği çaptan, sütunlar üzerinde düşey yönde hareket edebilen alt destek aparatı yardımıyla yukarıya doğru z= 12 mm kadar esnetilmiştir. Şekil 7'de 1 numara ile gösterilen elektronik derinlik kumpası, sehim değerlerini yüklemeye bağlı olarak göstermektedir. Diyafram yayın baskı plakasına oturduğu çapta meydana gelen tepki kuvvetleri, hareketli tablanın altında yer alan kuvvet ölçüm cihazı ile ölçülmüş ve bilgisayara aktarılmıştır. Elde edilen baskı kuvveti-sehim karakteristiği, Şekil 13'te sonlu elemanlar analizinden elde edilen karakteristikle birlikte karşılaştırmalı olarak verilmiştir.


Şekil 7. Kavrama yükleme testi düzeneği


Şekil 8. Yay yükleme testinin prensip şeması

Diyafram yayın kuvvet analizi, sonlu elemanlar yöntemini temel alan ANSYS® Workbench V11.0 paket yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Kavramada kullanılan diyafram yayın CATIA® V5R15 paket yazılımda hazırlanmış katı modeli Şekil 4'te verilmiştir. Dairesel simetriye sahip bu parça, çevresel olarak yirmidört eş dilime bölünebilmektedir. Bu nedenle yayın tamamına ait katı modelinin analizde kullanılması yerine, tek dilim üzerinden ve gerekli simetri sınır koşullarının tanımlanması ile analiz gerçekleştirilmiştir. Böylelikle çok daha az sayıda eleman kullanılarak zamandan ve bilgisayar sistem kaynak ihtiyacından tasarruf edilmiştir. Yay diliminin sonlu elemanlar modelinde, her biri üçer doğrusal serbestlik derecesine sahip toplam on düğümden oluşan SOLID187 elemanı kullanılmıştır [10]. Modeli oluşturan Şekil 9'da görülen sonlu eleman ağı, 15266 eleman ve 27223 düğüm noktasını kapsamaktadır.


Şekil 9. Diyafram yay diliminin sonlu eleman ağı

Diyafram yay, yüksek zorlanmalara uygun, ıslah edilebilir 51CrV4 yay çeliğinden üretilmektedir [11]. Parçanın konik formu sıcak şekillendirme ile elde edilmekte ve imalat nedeniyle malzemenin analizlerde kullanılacak mekanik özelliklerinde önemli bir değişim meydana gelmemektedir. Bu nedenle sonlu elemanlar analizinde, sac üretici firmadan alınan işlem görmemiş 51CrV4 yay çeliği malzemesinin çekme deneyi sonucu elde edilen ve Tablo 1'de verilen mekanik özellikleri tanımlanmıştır.

Tablo 1. 51CrV4 malzemesinin mekanik özellikleri

Malzeme numarası

1.8159

Elastisite modülü, E

189,7 GPa

Poisson oranı, v

0,3

Yayın elastik sınırlar içinde çalışması öngörüldüğünden malzemenin davranışı lineer izotropik olarak tanımlanmıştır. Yay dilimi için öngörülen yükleme ve sınır koşulları Şekil 10'da görülmektedir.


Şekil 10. Sınır koşulları ve yükleme

Yay, birbirinin dairesel simetriği olan yirmidört eş parçadan oluştuğu için yay diliminin sonlu elemanlar analizinde, parçanın  kesilen yüzeylerinde "Frictionless Support" sınır koşulu kullanılmıştır. ANSYS® Workbench V11.0 paket yazılımında bulunan seçeneklerden biri olan ve Şekil 11'de prensibi görülen bu sınır koşulu, seçilen bir A düzlemine dik olan Y doğrultusunda hareketi kısıtlamakta, bununla birlikte düzleme X ve Z eksenlerinde doğrusal ve XZ düzleminde rotasyonel hareket serbestliği vermektedir. Bu sınır koşulu yardımıyla, yay dilimi bünyesinde ortaya çıkacak iç reaksiyon momenti de simüle edilebilmektedir.


Şekil 11. "Frictionless Support" sınır koşulu

Yayın sonlu elemanlar yöntemiyle gerçekleştirilen kuvvet analizinde, üretici firma tarafından yay test cihazlarında uygulanan prosedür modellenmiştir. Yay, mesnet halkasını temsil eden üst destek yardımıyla ve "Fixed Support" sınır koşulu kullanılarak Z yönünde eksenel olarak sabitlenmiştir. Baskı plakasının yaya temas ettiği alt destek çapından, ikinci bir destek yardımıyla, etek bölgesine eksenel doğrultuda kademeli olarak sehim verilmiş, bu sırada destek halkasında oluşan reaksiyon kuvvetleri okunmuştur. Bu kuvvetler, mutlak değer olarak üst desteğe etkiyen kuvvetlere eşittir. Ancak iki kuvvet birbirine ters yönde etkimekte, oluşan moment yay bünyesinde şekil değişimine karşı ortaya çıkacak iç reaksiyon momentiyle dengelenmektedir. Alt destekten okunan kuvvetlerin yirmidört katı, halkaya etkiyen toplam tepki kuvvetini vermektedir. Böylelikle diyafram yayın, kavramanın tam ayrılma durumuna denk düşen elastik şekil değişimi için perçinlere etkiyen kuvvetler de bulunmuş olmaktadır. Hareketli destek üzerinden okunan kuvvetlerin sehime bağlı değişimi Şekil 13'te, yükleme testinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır.


Şekil 12. Yay diliminin elastik şekil değişimi


3. Kapakta oluşacak şekil değişiminin saptanması

3.1. Kavrama kapağına etkiyen işletme kuvvetinin bulunması

Kavrama kapağına işletim sırasında etkiyebilecek kuvvetin maksimum değerini bulmak için diyafram yayın çalışma aralığının belirlenmesi gerekmektedir. Tasarım kriteri olarak, kavramanın tam ayrılması durumunda kapağın perçin yuvalarının bulunduğu çapında ortaya çıkacak eksenel şekil değişiminin a= 0,3 mm'den daha büyük olmaması istenmektedir. Kavrama volan ve vites kutusu arasına, Şekil 2'de görüldüğü gibi yayın öngerilmeyle düzleştirilmiş konumunda (Şekil 5'e göre, H= t; h= 0) monte edilecektir.


Şekil 13. Analiz ve test sonuçlarının karşılaştırılması

Yayın serbest konumundan düz konuma geçmesi için gereken elastik şekil değişimi Şekil 8'de verilen boyutlar üzerinden;

   (2)

şeklinde hesaplanmıştır. Burada, eteğin baskı diskine dayandığı ve sehimin uygulandığı çap d0= 326 mm, mesnet halkası çapı d1= 270 mm ve yayın koniklik açısı = 12º'dir. Bu değerler yardımıyla z16 mm olarak bulunur. Kavramanın çalışması sırasında baskı diskinin volandan ayrılabilmesi için diyafram yay eteğinin montaj konumundan yaklaşık z2= 2 mm kadar daha eksenel yönde sehim yapması öngörülmektedir. Bu durumda yay toplamda, z= 8 mm kadar sehime uğramaktadır. Bu da, parçanın 6 mm'lik elastik şekil değişimiyle öngerilmeli olarak kapağa monte edileceği ve yaklaşık z= 6-8 mm sehim aralığında çalışacağı anlamına gelmektedir. Şekil 13'ten, z= 0-8 mm aralığındaki en büyük kuvvet sonlu elemanlar analizinde, 4 mm'lik sehim için yaklaşık F= 20400 N olarak elde edilmiş, bu kuvvet kavrama kapağının analizinde maksimum yük olarak kullanılmıştır. Böylece yayın ve kapağın montaj aşamasında maruz kalacağı en yüksek kuvvet de dikkate alınmış olmaktadır.
Kapağın sac malzemeden ve preste soğuk şekillendirilerek üretilmesi öngörülmektedir.

İmalat öncesinde izotropik mekanik özellikler gösteren çelik sacın, soğuk şekillendirme sonrasında anizotropik bir yapı kazanması ve pekleşmesi beklenir [12, 13] . Bu mekanik özellik değişimi parçayı daha rijit hale getirdiğinden, soğuk şekillendirme sonrası gerilim giderme tavlaması öngörülmemektedir. Parçanın tasarım aşamasında yürütülen bu çalışmada, üzerinden çekme deneyi numunesi çıkarılacak bir prototip bulunmadığından, sonlu elemanlar analizinde parçanın mekanik özellikleri plastik şekil değişimine uğramamış sacın mekanik özelliklerine eşit kabul edilmiş, çekme dayanımı ve akma sınırı değerlerinde meydana gelecek artış dikkate alınmamıştır. Bu nedenle, kapağın yük altındaki elastik şekil değişiminin imalat sırasındaki pekleşme nedeniyle, analizden elde edilen değerlerden daha düşük olması beklenmektedir. İmalatta kullanılan sacın mekanik özellikleri Tablo 2.'de, kimyasal bileşimi ise Tablo 3'te verilmiştir.

Tablo 2. Kapak malzemesinin mekanik özellikleri

Malzeme tipi

Sıcak haddelenmiş çelik şerit

Kalite derecesi

DIN StW 24

Malzeme numarası

1.0335

Standart

DIN EN 10111 / DIN 1016

Çekme dayanımı, Rm

341 MPa

Akma sınırı, Rp0,2

261 MPa

Elastisite modülü, E

190 GPa

Poisson oranı, v

0,3

 

Tablo 3. Kapak malzemesinin kimyasal özellikleri

C

0,08 (%)

Si

-

Mn

0,40 (%)

P

0,030 (%)

S

0,030

3.2. Kapağın gerilme ve şekil değişimi  analizleri

Kapağın iki boyutlu imalat resminden hareketle, CATIA® V5R15 ticari paket yazılımnda oluşturulan katı model Şekil 14'te görülmektedir. Kapak, dairesel simetriye sahip üç eş parçaya bölünebilmektedir. Sonlu elemanlar analizinde, uygun simetri sınır koşullarının da yardımıyla, modelin tamamı yerine bu parçalardan biri kullanılmıştır. Bu şekilde, yay analizinde olduğu gibi, kullanılan eleman ve düğüm noktası sayısı azaltılmış, işlem için gereken bilgisayar kaynakları daha verimli kullanılarak zamandan tasarruf edilmiştir. Hazırlanan katı model parçası IGES formatına çevrilerek ANSYS® Workbench V11.0 paketine aktarılmıştır. Analizde kullanılan model parçası için öngörülen yükleme ve sınır koşulları Şekil 15'te görülmektedir.


Şekil 14. Kavrama kapağının katı modeli


Şekil 15. Kapak dilimi için yükleme ve sınır koşulları

Diyafram yayın kuvvet analizi sonucunda mesnet halkasında ortaya çıkan reaksiyon kuvveti, kapak üzerinde perçinlerin oturduğu yuvalara eşit olarak dağıtılmıştır. Kapağın tamamında 12 adet ve dolayısıyla her model parçasında üç adet tam, iki adet yarım perçin yuvası bulunmaktadır. Yay çalışma aralığındaki en büyük yük değeri olan F= 20400 N reaksiyon kuvveti diyagramından seçilip, kapağa etkiyen toplam yük olarak bu yuvalara eşit dağıtılmıştır. Böylece D, E ve F noktalarına F= 1700 N, C ve G ortak noktalarına ise bu kuvvetin yarı değeri olan F= 850 N etki ettirilmiştir. Analizde, parçanın dairesel simetri özelliği kullanıldığından kesilme yüzeylerine (B), yay modelinde olduğu gibi "Frictionless Support" simetri sınır koşulu atanmıştır. Kapağın volana civatalarla bağlanan A yüzeyinin hareket serbestliği ise "Fixed Support" sınır koşulu kullanılarak ortadan kaldırılmıştır. Analizde kapak malzemesinin lineer izotropik özellik taşıdığı kabul edilmiş, sonlu elemanlar analizinde malzemenin elastisite modülü E= 190 GPa ve Poisson oranı v= 0,3 olarak dikkate alınmıştır.

         
     
TurkCADCAM.net > Türkiye'nin yeni ürün tasarım, geliştirme, CAD/CAM/CAE, CNC, kalıp ve imalat teknolojileri portalı
***** Sektörün profesyonel bilgi ve işbirliği platformu *****
© 2002-2017  Sinerji Yayıncılık, Tanıtım ve Danışmanlık Hizmetleri
Bu portaldaki içerik, ancak kaynak belirtilmesi ve izin alınması şartıyla yayınlanabilir.