ANSYS WORKBENCH İLE YORULMA

www.ansysbilgihavuzu.com

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

ANSYS WORKBENCH İLE YORULMA ANALİZİ

Hazırlayan

Yuksel Chaush 2001508085

Danışman: Doç.Dr. Mehmet Zor Şubat 2008 İZMİR

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

1

www.ansysbilgihavuzu.com

Önsöz Gelişen Dünyada gelişen teknolojiyi takip etmek ve öğrenmek insana büyük avantajlar ve kolaylıklar sunmaktadır.Ansys Workbench programı da bunlardan birtanesidir.Giderek globalleşen dünyada Türkçe kaynak bulma açısından büyük bir sıkıntı yaşanmaktadır.Türkçe olarak hazırlanan bu çalışmanın ,okyanusta bir avuç su misali kaynak eksikliğini gidermede yardımcı ocağı düşüncesindeyim. Beni bu çalışmayı hazırlamaya yönelten değerli hocam sayın Doç.Dr.Mehmet Zor’a ,çalışmada emeği geçen Makine Mühendisi sayın Mehmet Kamil Sarıya, maddi ve manevi desteğini benden hiç bir zaman esirgemeyen sevgili dostum güzel insan Deniz Bilimleri Enstitüsü Deniz Jeofiziği bölümü yüksek lisans öğrencisi sayın Cabir Alkan’a teşekkürü bir borç bilirim.

04/02/08 Yüksel İrfan Chaush

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

2

www.ansysbilgihavuzu.com

İçindekiler

1. GİRİŞ

Sayfa 6

1.1

Analiz Tipi Seçimi

7

1.2

Yükleme Durumu Seçimi

8

1.2.1

Sabit Genlikte Yükleme

8

1.2.2

Değişken Genlikte Yükleme

9

1.2.3

Orantılı veya Orantısız Yükleme

1.3

9

Ortalama Gerilme Etkileri

10

1.3.1 Ortalama Gerilme Eğrileri

12

1.4 Çok Eksenli Gerilme Düz. Fakt.

13

1.5Yorulma Değişimi(Fatigue Modification)

13

1.5.1 Sonsuz Ömür Değeri(Value of Infinite Life)

13

1.5.2 Yorulma Mukavemet Faktörü(Fatigue Strength .Fact)15 1.5.3 Yük Faktörü (Load Scale Factor)

16

1.5.4 Stress Life Interpolation

16

1.6 Sonuçların Değerlendirilmesi

17

1.6.1 Yorulma Ömrü (Fatigue Life)

17

1.6.2 Yorulma Hasarı (Fatigue Damage)

18

1.6.3 Güvenlik Faktörü (Fatigue Safety Factor)

19

1.6.4 Biaxiality Indication

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

20

3

www.ansysbilgihavuzu.com

1.6.5 Yorulma Hassasiyeti (Fatigue Sensitivity)

21

1.7 Gerilme Tanımları

21

1.8

22

Özet

2. CONSTANT AMPLITUDE, PROPOTIONAL LOADING (Sabit Genlik,Orantılı Yükleme)

24

2.1

Problemin Tanımı

24

2.2

Ansys Workbench Programın Çalıştırılması

25

2.3

Program Modüllerin Tanıtımı

26

2.4

Model Oluşturmak

29

2.5

Model Analizi

32

2.5.1

Malzeme Özelliklerin Girilmesi

34

2.5.2

Yüklerin Girilmesi

41

2.5.3

Fatigue Data Girdileri

46

2.6

Solve

47

2.7

Sonuçların Görülmesi

47

3. NON-CONSTANT AMPLITUDE,PROPOTIONAL LOADING (Değişken Genlik Orantılı Yükleme)

54

3.1

56

Problemin Tanımlaması

3.1.1

İmport İşlemleri

56

3.1.2

Malzeme Bilgileri

57

3.1.3

Yükleme Seçimi

58

3.1.4

Yüklerin Tanımlanması

60

3.1.5

Solve

61

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

4

www.ansysbilgihavuzu.com

4.CONSTANT AMPLITUDE ,NON-PROPOTIONAL LOADING 64 (Sabit Genlik Orantısız Yükleme) 4.1 Ortamın tanımlanması (Environment)

64

4.2 Yüklerin Girilmesi

65

4.3 Çözüm Kombinasyonları (Solution Combination)

66

4.4 Sonuçların İstenmesi

68

4.5 Çözüm (Solve)

68

Fatigue References

70

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

5

www.ansysbilgihavuzu.com

1.

GİRİŞ

Makina elemanları genel olarak değişken yüklerin ve gerilmelerin etkisi altındadır.Elemana etki eden yükler statik olsa bile kesitinde meydana gelen gerilmeler değişken olabilir.Örneğin dönen bir mile etki eden statik yükün oluşturduğu gerilmeler tam değişkendir. Değişken gerilmelerin etkisi altındaki elemanlarda bunların maximum değerleri değil tekrar sayısı önemlidir.Çevrimsel olarak değişen gerilmeler malzemenin iç yapısında bazı yıpranmalara sebep olur.Böylece kopma olayı statik sınırların çok altında meydana gelir.Değişken gerilmelerin etkisi altında malzemenin iç yapısındaki değişikliklere yorulma ve elemanın kopuncaya kadar dayandığı süreye de ömür adı verilir.Elemanın ömrü genellikle çevrim sayısı ile tarif edilir.Değişken zorlanmada kopma iç yapıdaki veya dış yüzeydeki bir süreksizlik noktasından başlar.Bu nokta civarında malzeme yorulur bir çatlak meydana gelir.Zamanla bu çatlak derinleşir,sonunda çatlak dışındaki bölgedeki gerilme mukavemet sınırını aşarak elemanın birden bire kırılmasına neden olur.Bu şekilde oluşan kırılma yüzeylerinde iki bölge görülür.Kırılma yüzeyinin bir kısmı mat ve düz,diyer kısmı ise parlak ve tanelidir.Birinci bölge önceden meydana gelen ve zamanla büyüyen çatlağı gösterir.İkinci bölge ise birden bire kopan bölgedir. Bir çok parça başlangıçta çok iyi çalışabilir yalnız belli bir süre sonra yüklemenin çevrim sayısına bağlı olarak yorulma hasarına uğrayarak işlevselliğini yitirir.Yorulma analizinin temel amacı malzemenin ömrü süresince nekadarlık bir çevrime dayanabileceğini karakterize etmektir.Yorulma analizinde genel olarak 3 ana metod mevcuttur.Bunlar Strain Life,Stress Life ve Fracture Mechanics’dir. Ansys Workbench Fatigue Modülü bunların ilk ikisini kullanıcıya sunar. Strain Life yaklaşımı günümüzde oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır ve yorulmanın düşük çevrim sayılarını karakterize eden, tipik olarak çatlak başlangıcını kapsayan bir metodtur.Diğer yandan Stress Life ise parçanın toplam ömrü ile ilgilenir bunun için çatlak başlangıcını ve çatlak ilerleyişini kapsamaz.Analizleri çevrim sayılarına göre sınıflandırırsak Strain Life düşük sayılı çevrimler için kullanırız bu yüzden Low Cycle Fatigue (LCF) olarak bilinir aynı zamanda yüksek sayıdaki çevrimler içinde kullanılabilir.LCF genellikle 10 5 ve bundan daha düşük çevrimleri kapsar.Stress Life S-N(StressCycle Curves) diagramına dayanır ve genellikle yüksek çevrimleri kapsar bundan dolayı High Cycle Fatigue (HCF) diye bilinir. 10 5 ve üzeri çevrimleri kapsar. Fracture Mechanics(Kırılma Mekaniği) varsayılan bir kusur veya boyutu bilinen bir hasar ile başlar ve çatlağın ilerlemesini inceler bu yüzden bazende ‘’Crack Life’’ (Çatlak Ömrü) diye bilinir. Çatlağın büyüme Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

6

www.ansysbilgihavuzu.com

hızı,çatlağın ömrü sürecindeki bölgeler ve kritik çatlak boyu hakkındaki bilgileri kapsar. Bu durumda Çatlak başlangıcı (Crack initiation) artı Çatlak ömrü (Crack Life) parçanın toplam ömrüne eşittir. İşte bu çalışma parçanın toplam ömrü üzerine yapılmıştır.

1.1Analiz Tipi Seçimi Genel olarak yorulma mevcuttur.Bunlar; • • • • •

sonuçlarının

bağlı

oduğu

5

adet

girdi

Fatigue Analysis Type (Stress-Strain Life seçimi) Loading Type (Yükleme Durumu Seçimi) Mean Stress Effects Multiaxial Stress Correction Fatigue Modification Factor

Fatigue Analysis Type

Loading Type

Mean Stress Efects

Multiaxial Stress Correction

Fatigue Modification Factor

Şekil 1. Yorulma Analiz Şeması

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

7

www.ansysbilgihavuzu.com

1.2 Yükleme Durumu Seçimi Bu çalışma parça ömrü ile ilgili olduğu için yorulma analizi,Stress Life metodu ele alınarak yapılacaktır ve aşağıda belirtilen yükleme çeşitleri tanıtılıp bunlardan Ansys Workbench’in desteklediği 3 yükleme durumu için örnekler verilip anlatılacaktır. • • • •

Constant Amplitude,Propotional Loading (Sabit Genlik,Orantılı Yükleme) Constan Amlitude , Non-Propotional Loading (Sabit Genlik, Orantısız yükleme) Non-Constant Amplitude ,Propotional Loading (Değişken Genlik ,Orantılı Yükleme) Non-Constant Amplitude,Non-Propotional Loading (Değişken Genlik ,Orantısız Yükleme)

1.2.1

Sabit Genlikte Yükleme (Constant Amplitude Loading)

Şekil 2 Yukarda belirtildiği gibi yorulma tekrarlanan yükler sonucu meydana gelir.Bu durumda parçaya uygulanan maximimum ve minimum gerilmelerin değişmediği yani sabit kaldığı uygulamalara Sabit Genlikli Yükleme adı verilir. En basit yükleme çeşidi olduğu için ilk önce bu yükleme çeşidi ele alınacaktır.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

8

www.ansysbilgihavuzu.com

1.2.2 Değişken Genlikte Yükleme (Non-Constant Amplitude Loading)

Şekil 3 Burada yüklemenin orantılı olmasına rağmen gerilme genlikleri ve ortalama gerilme zamanla değişiyor. Bu yükleme çeşidi için özel gereksimlere ihityaç vardır. Bunun için ileride ayrıntılı olarak açıklanacaktır.

1.2.3 Orantılı veya Orantısız Yükleme (Propotional,Non-Propotional Loading) Yükleme çeşitleri Orantılı veya Orantısız olabiliyor. Orantılı yüklemede ,esas gerilmelerin oranı sabit olduğu ve zamanla değişmediği kabul edilir.

σ2 = Sabit σ1

Orantısız yüklemede ise gerilme bileşenleri ile ilgili herhangi bir bağlantı yoktur.Aşağıda sıralanan durumlar için geçerlidir; • • •

Aynı noktaya İki farklı yükleme durumu söz konusu olduğunda Statik bir yükleme üstüne değişken bir yükleme halinde Nonlineer sınır şartları

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

9

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 4

1.3 Mean Stress Effects (Ortalama Gerilme Etkileri) Analiz tipi seçimi (Stress-Strain Life) ve yükleme şeklini tayin ettikten sonra bir sonraki adım Mean Stress Correction’nun kullanılıp kullanılmamasına karar vermektir.Malzemelerin yorulma ile ilgili özellikleri genellikle tam değişken (fully reversed) sabit genlikli (Constant Aamplitude) testlerde elde edilir.Oysaki (bazı ortalama gerilmeler görülsede) pratikte bu tür yüklemelerin olması oldukça nadirdir.Yükleme tam değişkenden farklı ise o zaman ortalama gerilme mevcuttur ve hesaplanması gereklidir. Ortalama gerilmeleri hesaplamak için Soderberg,Goodman veya Gerber gibi teoriler kullanılır.Goodman bir yandan gevrek malzemeler için iyi bir tercih olurken diğer yandan Gerber de sünek malzemeler için seçilebilir.Soderberg ise düşük sünekli malzemeler için kullanışlıdır.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

10

www.ansysbilgihavuzu.com

σ Alternating S Endurance _ Limit

+

σ Mean SYield _ Strenght

=1

Şekil 5 Soderberg Diagramı ve Formülü

σ Alternating S Endurance _ Limit

+

σ Mean SUltimate _ Strength

=1

Şekil 6 Goodman Diagramı ve Formülü

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

11

www.ansysbilgihavuzu.com

σ Alternating S Endurance _ Limit

2

⎛ ⎞ σ Mean ⎟ =1 +⎜ ⎜S ⎟ ⎝ Ultimate _ Strength ⎠

Şekil 7 Gerber Diagramı ve Formülü

1.3.1 Mean Stress Curves(Ortalama Gerilme Eğrileri): Mean Stress Curves deneysel yorulma verilerini kullanarak ortalama gerilmelerin etkilerini hesaplamak için kullanılır.İki farklı eğri çeşidi mevcutur: 1. Mean Stress Value Curves: Burada deney parçasına değişken bir gerilme genliği uygulanırken sabit bir ortalama gerilmenin bindirilmesidir.Pratikte uygulanması oldukça zordur 2. R-ratio Stress Curves: Mean Stress Value Curves ile benzerdir yalnız tek fark deney parçasına belirli bir ortalama gerilmenin uygulanması yerine daha uygun ve tutarlı bir yükleme oranı uygulanmasıdır.Bunun pratikte uygulanması daha kolaydır

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

12

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 8

1.4

Multiaxial Stress Correction Factor (Çok Eksenli Gerilme Düzeltme Faktörü)

Deneysel veriler genellikle tek eksenli gerilme sonuçlarından ibarettir.Oysa Yorulma analizi sonuçları genellikle çok eksenli gerilmelerden oluşmaktadır.Bazı noktalarda gerilmelerin çok eksenli durumdan tek eksenli duruma dönüştürülmesi gerekir.VonMisses,Maximum kayma veya farklı gerilme bileşenleri tek eksenli deneysel verilerle karşılaştırılması için kullanılabilir.

1.5

Fatigue Modification

1.5.1

Value of Infinite Life (Sonsuz Ömür Değeri)

Değişken genlikli (non-constant amplitude) yüklemede yorulma analizi yaparken kullanılabilecek diğer bir seçenek ise sonsuz ömür değeridir.Sabit genlikli yüklemede, meydana gelen gerilme genliği S-N diagramına girilen en küçük gerilme genliğinden daha küçük ise parça Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

13

www.ansysbilgihavuzu.com

ömrünü, S-N diagramına girilen en küçük gerilme genliğine karşılık gelen çevrim sayısı alacaktır(Birçok malzeme sınır limitinde bulunmadığı için bunu güvenlik dolayısıyla yapar).Diğer yandan değişken genlikli yüklemelerde çok küçük gerilme genlikleri meydana gelsede eğer çevrim sayıları yeterince yüksek ise önceden tahmin edilemeyen deformasyonlara yol açabilir.Bunu kontrol etmek için bir sonsuz ömür değeri girilebilir.Bu değer analiz sırasında gerilme genliği S-N diagramında belirtilen değerlerin dışında olursa kullanılır.Yüksek bir sonsuz ömür değerinin seçilmesi küçük gerilme çevrim sayılarının yüksek olması durumunda daha az deformasyon olmasına neden olur.Aşağıda gösterilen rainflow ve damage matrixlerinde muhtemel sonsuz ömür etkileri gösterilmiştir.Her iki damage matrix de aynı yükleme historsinden oluşuyor yalnız birinin sonsuz ömür değeri 1e9 iken diyerinin 1e6 dır.

Verilen yükleme durumu için Rainflow matrisi

Şekil 9

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

14

www.ansysbilgihavuzu.com

Sonsuz ömür değeri 1e6 olduğu zaman damage(hasar) matris sonuçları.Toplam hasar 0.19 olarak hesaplanır.

Şekil 10

Burada ise sonsuz ömür değeri 1e9 olduğu zamanki sonuçlar görülüyor.Toplam hasar 0.12 olarak hesaplanır.(%37 daha az hasar)

Şekil 11

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

15

www.ansysbilgihavuzu.com

1.5.2

Fatigue Strength Factor (Yorulma Mukavemet Faktörü)

Malzemenin yorulma özelikleri ile ilgili testler genelikle çok özel ve kontrollü koşullar altında gerçekleştirilir.Eğer analiz edilecek parça test koşullarından farklı ise bu modifikasyon faktörü aradaki farkları hesaplamak için kullanılabilir.Fatigue Strength Factor ( k f ) yorulma mukavemetini düşürdüğü için birden küçük olmalıdır.Bu faktör sadece gerilme genlikleri için kullanılır ve ortalama gerilmeleri etkilemez.

1.5.3 Load Scale Factor (Yük Faktörü) Eğer istenirse girilen bir Loading Scale Factor değeri için hem gerilme genlikleri hem de ortalama gerilmeleri ölçüp bu değere göre dengelenebilir.Bu değer statik bir modelin üzerinde değişen ortalama ve gerilme genliklerin şiddetlerini görmek için her defasında çözüm bulmaktan kaçınmak için kullanışlıdır.

1.5.4 Stress Life Interpolation

Şekil 12

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

16

www.ansysbilgihavuzu.com

Stress Life analizi S-N eğrisinde belli bir değeri bulmak isterse her zaman mevcut olmayabilir.Bunun için stress life interpolasyona gider.Stress Life analizinde bu işlemi gerçekleştiren 3 ayrı metod bulunur bunlar; log-log , Semi-log ve Lineer ‘dir.Sonuçlar seçilen metoda göre değişir.Ama genellikle S-N eğrisini ve karşılık gelen değerleri görmek açısından log-log metodunun kullanılması daha uygundur.

1.6 Sonuçların Değerlendilmesi 1.6.1 Fatigue Life (Yorulma Ömrü)

Şekil 13

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

17

www.ansysbilgihavuzu.com

Yorulma analizi yapılan parçanın muhtemel ömrünün tayini için kullanılır.Yorulmadan dolayı parçanın kopacağı ana kadarki çevrim sayılarını gösterir.

1.6.2 Fatigue Damage (Yorulma Hasarı)

Şekil 14 Verilen ömür için yorulma hasarını gösterir.Fatigue Damage için birden büyük değerler ömür tamamlanıncaya kadar olan hasarları gösterir.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

18

www.ansysbilgihavuzu.com

1.6.3

Fatigue Safety Factor (Yorulma Güvenlik Faktörü)

Şekil 15 Verilen ömürde parçanın güvenirliği hakkında bize bilgi verir.Maximum güvenlik faktörü 15 değeridir ve 1’den küçük olan değerler ömür tamamlanmadan önceki güvensiz bölgeleri temsil eder.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

19

www.ansysbilgihavuzu.com

1.6.4 Biaxiality Indication

Şekil 16 Daha önce belirtildiği gibi yorulma ile ilgili malzeme özellikleri tek eksenli gerilmeler altında belirlenir.Bu sonuç kullanıcıya bütün model üzerindeki gerilme durumları ve bunların yorumlanması hakkında bilgi verir.Tek eksenli gerilmeler 0,kayma gerilmeleri -1 ve çift eksenli gerilmeler 1 ile temsil edilir.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

20

www.ansysbilgihavuzu.com

1.6.5

Fatigue Sensitivity (Yorulma Hassasiyeti)

Şekil 16 Yorulma sonuçları kritik bölgelerdeki yüklemenin bir fonksiyonu olarak nasıl değiştiğini gösterir.Hassasiyet ömür , hasar veya güvenlik faktörü için bulunabilir.

1.7 Gerilme Tanımları Constant Amplitude,Propotional Loading durumunu ele alırsak max. Ve min. Gerilmeler σ max ve σ min ise;

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

21

www.ansysbilgihavuzu.com

σmax

σmin

Şekil 17

Δσ = σ max − σ min

•

The stress range (Gerilme Değişimi)

•

The mean stress (Ortalama Gerilme)

•

The stress Amlitude or Alternating Stress (Gerilme Genliği) Δσ σa = 2

•

The stress ratio (Gerilme oranı)

•

Fully-reversed loading ,eşit ve zıt yönlü yükleme durumu olduğu zaman.( σ m =0 ve R=1 )

•

Zero

Based

loading

durumu

σm =

R=

yükün

kaldırıldığı zaman meydana gelir. ( σ m =

1.8

σ max + σ min 2

σ min σ max

uygulanıp

σ max 2

,

tekrar

geri

R=0 )

Özet:

Aşağıda şu ana kadar bahsedilen durumlarda Fatiguge Analysis Stress Life metodunun daha pratik olması için adım adım gösteren bir şema hazırlanmıştır. Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

22

www.ansysbilgihavuzu.com

Fatigue Analysis Type -Stress Life

Loading Type -Constant Amplitude , Propotional Loading -Constant Amplitute , Non-Propotional Loading -Non-Constant Amplitude , Propotional Loading -Non-Constant Amlitude , Non-Propotional Loading

Mean Stress Effects -Goodman -Soderberg -Gerber -Mean Stress Curves -Mean Stress Dependant -Multiple r-ratio curves -None

Multiaxial Stress Correction -Component X -Component Y -Component Z -Component YZ -Component XZ -Von Misses -Maximum Shear -Maximum Principal -Abs Maximum Principal

Fatigue Modification -Volume of infinite life -Fatigue Strength Factor -Load Scale Factor -Interpolation Type -Log-Log -Semi-Log -Linear Şekil 18 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

23

www.ansysbilgihavuzu.com

2

CONSTANT AMPLTITUDE PROPOTIONAL LOADİNG (Sabit Genlik,Orantılı Yükleme) ÖRNEK 1

2.1 Problemin Tanımı: Şekilde görülen makina parçasının sağ ve sol yanlarından mesnetlenmiş orta kısmına da +-50000Nm’lik bir döndürme momenti etkimiştir.

Şekil 19

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

24

www.ansysbilgihavuzu.com

2.2 Ansys Workbench Programın Çlıştırılması Başlat (Start )> Programlar > ANSYS 10.0> ANSYS Workbench

Şekil 20 Modüllerin bulunduğu aşağıdaki pencere açılır. WorkBench’de çalışmamızın her bir ana aşaması farklı modüllerde yapılır.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

25

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 21

2.3 Program Modüllerinin Tanıtımı •

Empty Project: Boş bir çalışma sahası (Proje) açar.Çalışma ile ilgili tüm dosyalar bu sahanın içinde kaydedilir. Proje kaydedilirse ona bağlı tüm çalışmalar kaydedilir.

•

Geometry: Geometrik modelinin oluşturulduğu modül.

•

Simulation: Analizin yapıldığı ve Sonuçların Görüldüğü modül.

•

CFX-Mesh:Yüksek kalitede elemanlara ayırma (meshing) işleminin yapıldığı modül.

•

Open: Daha önce kaydettiğiniz dosyaları açabilirsiniz.

Modüllerin bulunduğu pencereden Empty Project butonuna basılarak yeni bir proje oluşturulur proje ismi ‘’YorulmaAnalizi’’ girilir ve Save butonuna basılarak kaydedilir.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

26

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 22 Proje ekranında iken soldaki butonuna basınız. Design Modeler ekranı açılır.

Aşağıdaki

Şekil 23

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

27

www.ansysbilgihavuzu.com

Eğer sorulursa boyut olarak mm seçiniz.

Şekil 24 Bu ekranda iken Save as butonuna basarak geometrik modelinizi parca-1 isminde kaydediniz.(Hiçbir geometri olmamasına rağmen boş olarak kaydediyoruz).

Şekil 25 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

28

www.ansysbilgihavuzu.com

butonuna basarak Project ekranına geri Üsteki dönerseniz kaydettiğimiz parca-1 isimli çalışmayı görebilirsiniz.Project ekranında iken butonuna basarsanız projeye ait başka bir çalışma oluşturabilirsiniz.

Şekil 26 Şimdi parca-1 isimli çalışmayı çift tıklayarak tekrar DesignModeller ekranına geri dönüp çalışmamıza başlayabiliriz.

2.4 MODEL OLUŞTURMAK: Aşağıdaki çizim gerekli ölçü ve constrainler verilerek oluşturulur.

Şekil 27 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

29

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 28 Daha sonar Revolve komutu kullanılarak katı hale getirilir.

Şekil 29

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

30

www.ansysbilgihavuzu.com

Parçaya

komutlarını kullanarak 3 mm chamfer veririz,

Şekil 30

komutu kullanılarak parçaya Daha sonra 3mm olmak üzere radius verilir

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

5mm ve

31

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 31 Böylece parça hazır hale geldi şimdi ise yorulma anailizi için gerekli malzeme özellikleri,S-N diagramı vs. gibi girdileri tanımlayacağız.

2.5 MODEL ANALİZİ Butonuna basarak Project ekranına geri dönülür ekranın sol tarafında bulunan bölümüne geçilir.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

butonuna basılarak analiz

32

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 32 Similasyon bölümüne gelindiğinde sağ tarafta bulunan Similation Widzard ksmından yapmak istediğimiz analizi (Fatigue) seçip Run tuşuna basarız

Şekil 33 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

33

www.ansysbilgihavuzu.com

Run

komutundan

sonra

artık

‘’YorulmaAnalizi’’

projenin ‘’parca-1’’ adlı modelini yorulma analizini yapabiliriz.

adını

verdiğimiz

çalışma sahası içinde

Şekil 34 Yine sağ tarafta görülen Simulation Wizard kısmında analiz için gerekli bilgileri teker teker gireceğiz. Sol tarafta ise ‘’Model Tree’’ model ağacımız görülmektedir buradan model üzerinde yapılan çalışmalar görülebilir ve gerek duyulduğunda değişiklikler yapılabilir.

2.5.1 Malzeme Özelliklerin Girilmesi: Wizard kısmıda Verify Materials butonunu tıkladıktan sonra Details kısmında bize bir uyarı penceresi açılır ve hangi malzemeyi kullanacağımızı sorar. Ansys Workbench programının bize sağladığı kolaylıklardan birtanesi de sanayide sıklıkla kullanılan malzemelere ait özellikleri kendisinin vermesidir (Poison.Young modülü,S-N vs.). Eğer bu malzemeleri kullanıcaksak import dememiz gerekir ve açılacak pencereden istediğimiz malzemeyi seçebiliriz.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

34

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 35

Şekil 36

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

35

www.ansysbilgihavuzu.com

Eğer analizini yapacağımız parçaya ait malzeme özellikleri Ansys Workbench veri tabanında mevcut değilse o zaman kendimiz girmemiz gerekecek.Bunun için Details kısmından New Material’i seçeriz .Bu örnekte malzeme özelliklerini kendimiz tanımlayacağız diğer örneklerde ise Workbench veri tabanından yararlanıp her iki seçeneği de öğrenmeye çalışacağz.

Şekil 37 New Material seçeneğini seçtikten sonra açılan Engieering Data kısmında hiç bir malzeme özelliği tanımlanmamıştır. Bize gerekli malzeme özelliklerini tanımlayacağız.Bunlar öncelikle Young Modülü ,Poisson oranı ve S-N diagramıdır.Diğer özellikler gerektiği takdirde veya farklı analizlerde girilebilir (ısıl, elektromanyetik analizleri vs.) S-N diagramını girmek için gerekli özellik seçeneği gözükmüyor bunun butonundan Alternating Stress ve Tensile için yield Strength özelliğini seçip aktif hale getiririz.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

36

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 38

Şekil 39

Şekil 40

Bu işlemleri yaptıktan sonra Tensile Yield Strength değerini 1.98e+009 olarak gireriz. S-N diagramı ile igili değerleri girebilmek için Şekil 28’de

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

37

www.ansysbilgihavuzu.com

okla gösterilen seçeneği tıklarız . Açılan pencerede ilk önce gerilme genlikleri ve bu genliklere karşı gelen çevirim sayılarını bize grafik olarak gösterecek yöntemleri seçeriz.Genellikle Semi-Log veya Log-Log olarak seçilmesi sonuçları görmemiz açısından bize kolaylık sağlar.

Şekil 41

S-N eğrileri ortalama gerilmelere bağlı olduğu için gerektiği takdirdede birden faza S-N eğrisi girilebilir.Kısacası eğer malzemenin farklı çevrim sayılarına ait farklı ortalama gerilme değerleri mevcut ise bunlar da girilebilir.Mean Curve type olarak R-ratio seçilir.

Şekil 42

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

38

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 43

Farklı S-N eğrileri girmek için Mean Value sağ tıklayarak bu işlem yapılabilir. Engineering Datada son aşama Ortalama gerilmeleri ve bunlara karşılık gelen çevrim sayılarını girmektir. Dikkat edilecek olursa çevrim sayısı arttıkça malzemenin taşıdığı gerilme azalacatır, bu da bir süre sonra malzeme koptuğu zaman normal kopma değerinin çok altında bir değerde olacaktır.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

39

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 44

Şekil 45

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

40

www.ansysbilgihavuzu.com

Bu örnekte biz sadece 1 S-N diagramı girdik ama gerekirse birden fazlada girilebilir. ekranına geri dönülür.

ikonuna tıklanarak simulasyon

2.5.2 Yüklerin Girilmesi: Wizard penceresinden ‘’insert load’’ butonuna tıklanarak açılacak uyarı penceresi bizi hangi butondan yükleme seçmemiz gerektiğini gösterecek.

Şekil 46

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

41

www.ansysbilgihavuzu.com

Buradan ilk önce ‘’Moment’’ i seçeriz daha sonra sol alt köşede açılan Details kısmına önce yükün ugulanacağı yüzeyleri seçip apply deriz sonra yükü ve yönünü belirleriz.

Şekil 47

Şekil 48

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

42

www.ansysbilgihavuzu.com

+X yönünde +-50000 N.m’lik moment yükledik şimdi parçanın mesnetini (support) girelim.Bu sefer Widzard penceresinden ‘’insert supports’’ butonuna basılarak işlem gerçekleştirilir.

Şekil 49 Burada yine aynı şekilde program bizi yönlendirerek mesnetimizi nereden seçeceğimizi gosterir.Buradan sabit mesneti seçeriz (fixed support)

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

43

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 50 Ekranın sol alt köşesinde açılan details kısmına sabitleyeceğimiz yüzeylerini seçip apply butonuna tıklarız.

parçayı

Şekil 51

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

44

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 53

Şekil 52

Şekil 54 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

45

www.ansysbilgihavuzu.com

2.5.3 Yorulma Analizi Girdileri (Fatigue Data) Wizard penceresinden ‘’Insert Fatigue Tool’’ butonuna basılarak giriş bölümünde bahsedildiği gibi ilk önce analiz tipine karar verilip seçilir; ‘’Stress life’’ yükleme biçimi ‘’Fully reversed’’ seçilir.

Şekil 55

Şekil 56 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

Şekil 57 46

www.ansysbilgihavuzu.com

Parçaya uyguladığımız yük tam değişken (fully reversed) olduğundan herhangi bir ortalama gerilme teoremi girilmez. butonunu tıklayarak İstediğimiz analiz sonuçlarını seçebiliriz.

Şekil 58

2.6 Solve (Çözüm): Modelin tanımlanması bitmiştir wizard penceresinden ‘’sove’’ butonuna tıklanır üstte bir uyarı penceresi açılır solve butonuna tekrar basılır ve çozüm başlar.

Şekil 59

2.7 Sonuçların Görülmesi: Outline da “Solution” a eklediğimiz sonuçların ( Life,Damage, Safety Factor vs..) üzerine sırasıyla tıklarsak modelde bu sonuçların dağılımını görebiliriz. Model üzerinde her değer farklı bir renk ile temsil edilir. Sol üst köşede ise bu renk skalasını görebiliriz.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

47

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 60

Şekil 61

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

48

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 62

Şekil 63

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

49

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 64

Şekil 65

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

50

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 66

Şekil 67 Önemli NOT: Eğer yükten dolayı malzemede oluşacak gerilme genliği S-N diagramında belirttiğimiz gerilme genliklerinin en küçüğünden daha küçükçe, S-N diagramında en küçük gerilme genliğine karşılık gelen çevrim sayısı bize parça ömrünü verir.Böylece yorulma sonuçlarında ‘’Life’’ sonucunu görmek için tıkladığımızda parçamız tamamen kırmızı renkte gözükecektir ve minimum life, S-N diagramında en küçük gerilme genliğine karşılık gelen çevrim sayısını gösterir.Zaten mantık yürütürsek çevrim sayısı arttıkça malzemenin taşıyacağı genlik azalacağından (çevrim sayısı arttıkça malzemede oluşan deformasyonda artacaktır dolayısıyla malzemenin taşıyacağı gerilmede azalacaktır) S-N diagramındaki en küçük gerilme genliğinden daha küçük bir genlik elde edersek bu da daha fazla bir çevrim demektir diagramda daha yüksek bir çevrim belirtilmediği için güvenlik açısından en küçük genliye karşılık gelen çevrimi alması doal olacaktır. Üsteki örnekte parçamıza yüklediğimiz 50 000Nm lik moment’e karşılık gelen parça ömrü 1 çevrimden azdır (min.life 0.1e-001) .Eğer 5000 Nm yüklersek sonuç ne olucak birlikte görelim:

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

51

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 68

Şekil 69 Görüldüğü gibi parçamız tamamen kırmızı renkte ve min.life S-N diagramında en düşük genliğe karşılık gelen çevrim sayısına eşittir. (1.e+008 çevrim) NOT: Yorulma analizi sonuçlarını gördükten sonra eğer istenirse verilen yüklemelere karşılık gelen gerilme analizleri sonuçlarıda görülebilir.Outline’da Solution bölümü altındaki Stress Tool seçemeğine tıklanarak görülebilir.Farklı gerilme analizlerinide hesaplattırmak istenirse , yorulma sonuçları istenirken onlarda istenebilir.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

52

www.ansysbilgihavuzu.com

3

NON-CONSTANTAMPLITUDE,PROPOTIONAL LOADING (Değişken Genlik Orantılı Yükleme) Bir önceki bölümde yüklemenin max.ve min.gerilme genliklerinin sabit olduğu constant amplitude,propotional loading ele alındı.Bu bölümde ise yükleme propotional olmasına rağmen gerilme genlikleri ve ortalama gerilmenin zamanla değiştiği durum ele alınacak.

Şekil 70 Düzensiz bir yükleme için özel bir işleme ihtiyaç vardır.Düzensiz bir yükleme biçimi için çevrim sayısının saymak rainflow çevrim sayaç metodu ile gerçekleştirilir. „ Rainflow çevrim sayaç metodu düzensiz bir gerilme historysini yorulma hesaplarında kullanmak için çevrime dönüştürmek için geliştirilen bir tekniktir.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

53

www.ansysbilgihavuzu.com

σ

σ

tim time

Şekil 71 Farklı ortalama gerilmelerin ve gerilme genliklerin çevrimlerini sayar daha sonra bu çevrimler kullanılarak yorulma hesabı yapılır. „ Damage summation (hasar tespiti ve hesabı) Palmgran-Miner kuralı ile yapılır.Buradaki temel mantık farklı ortalama gerilmeleri ve gerilme genliklerine karşılık gelen çevrimler parça ömründen ufak bir parçasını kullanmalarıdır.Herhangi bir gerilme genliğine karşılık gelen çevrim N i , ve parçanın kopacağı ana kadarki çevrim N ft

olsun.Kopma ömür çevrim sayısı (N ft )

tamamlanınca olacaktır.

Ni ∑ N =1 fi Değişken genlik için her iki metod kullanılır.

Şekil 72 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

Rainflow Matrix 54

www.ansysbilgihavuzu.com

ÖRNEK 2

Şekil 73

3.1 Problemin tanımı: Parçanın alt noktasını sabitledik üsteki iki adet civata yatağını da silindrik mesnetle sabitledik ve parçanın iç yüzeyini değişken bir yüklemeye maruz bıraktık.

3.1.1 İmport işlemi:

İşleme önce parçayı (Solid Works’de modellendiğinden) import ederek başlanır.İmport işlemi eğer istenirse yeni project oluşturarak veya var olan bir project’de DesignModeller bolümünden ‘’file>import external geometry file’’ işlemi yapılarak import edilebilir. σφϕησαϕφαηφηφυεωρφυαηφϕηφ βϖνμ

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

55

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 74

μ⎞ν

İmport işleminden sonra busefer Simulation bölümüne geçilerek analiz işlemi başlanabilir.Burada yine bir önceki bölümde ele alınan adımlar teker teker izlenir .

3.1.2 Malzeme Bilgileri 1.Adım: Önce malzeme bilgileri girilir(Bu örnekte Ansys database’den faydalınacak).Malzeme olarak Structural steel seçilir ve bu malzemeye ait bütün özellikler otomatik olarak verilmiş olur.

Şekil 75 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

Şekil 76 56

www.ansysbilgihavuzu.com

Aynı zamanda S-N diagramıda bize hazır olarak verilir.

Şekil 77

3.1.3 Yükleme Seçimi 2.Adım Yükleme tipi seçmi: Yükleme tipini History Data,Analiz tipimizi Stress life ve Ortalama Gerilme Teorisini Goodman seçeriz.History data bilgilerini Şekil..de gösterilen kutucuğa tıklayarak açılan pencereden ‘’SAEBracketHistory’’ dosyasını seçeriz.Bin size 32 ,

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

57

www.ansysbilgihavuzu.com

infinite life 1.e+009 scale factor 5.e-003 ve stress component Equivalent(Von-Misses) seçilir.

Şekil 78

Şekil 79

Şekil 80 Örnek history datalar instalation directoryde bulunabilir:

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

58

www.ansysbilgihavuzu.com

C:\ProgramFiles\Ansys Inc\v100\AISOL\CommonFiles\Language\enus\EngineeringData\Load Histories

3.1.4

Yüklerin Tanımlanması

3.Adım Yüklerin Girilmesi: Widzard penceresinden insert loads butonuna tıklanarak 4448.22 N’luk yük parçanın üst silindrik yüzeyine uygulanır

Şekil 81 Daha sonra yine widzard penceresinden busefer insert supports butonuna tıklanarak cylindrical support ve fixed support olmak üzere iki adet mesnet tanımlarız.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

59

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 82

3.1.5 Solve (Çözüm) Bu işlemlerden sonra sıra solve komutunu kullanmaya geldi,butona basılmadan önce görülmek istenen sonuçlar istenir bunun yanında Graph Results ikonundanda rainflow ve damage matrixleride istenir.Sonuçlar taker teker aşağıda verilmiştir.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

60

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 83

Şekil 84

Şekil 85 Parçanın minimum ömrü 1.096e+002 çevrimdir.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

61

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 86

Şekil 87

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

62

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 88 Rainflow Matrix

Şekil 89 Damage Matrix Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

63

www.ansysbilgihavuzu.com

4

CONSTANT AMPLITUDE, NON-PROPOTIONAL LOADING (Sabit Genlik Orantısız Yükleme) Bu bölümde constant amlitude ,propotional loading ele alınacak. Burada temel mantık yorulma hesabı için tek bir loading Enviroment yerine ikitane loading Enviroment kullanılmasıdır.Aşağıdaki istisnalar hariç constant amplitude non-propotional loading ,constant amplitude propotional loading işlemi ile aynıdır. 1. İki farklı yükleme için iki ayrı Enviroment bölümü açılır 2. Solution Combination bölümü eklenip iki Enviroment belirtilir 3. Solution Combination bölümü için Fatigue Tool eklenir ve yükleme çeşidini non-propotional olarak girilir. 4. Yorulma sonuçları aynı şekilde istenir ve çözülür.

4.1 Environment

Şekil 90 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

64

www.ansysbilgihavuzu.com

4.2 Yüklerin Girilmesi Bu işlemden sonra her iki Environment için yükler ve mesnetler girilir.Burada dikkat edilmesi geren her bir Environment için farklı yükler uygulanabilirken aynı support girilmesidir.İlk Environment’e +X yönünde 1000 N’luk bir kuvvet ve frictional support girildi.(Parçanın aynı bölgesine birden fazla yük tanımlanır)

Şekil 91

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

65

www.ansysbilgihavuzu.com

İkinci Environment’e –X yönünde 1500 N ve yine parçanın bütün yüzeyine frictional support girilir.

Şekil 92 Environment’ler oluşturulduktan ve yükler tanımlandıktan sonra sıra Solution Combination’nun oluşturulması.

4.3 Solution Combination

Şekil 93 Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

66

www.ansysbilgihavuzu.com

Solution Combination oluşturulduktan sonra üzerine tıklanıp açılan pencereye her iki Environment eklenir.

Şekil 94

Environmentler eklendikten sonra Solution Combination için Ftigue Tool (veya istenirse başka araçlarda eklenebilir) eklenir.Fatigue Toola tıklanarak yükleme çeşidini Non-Propotional seçilir.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

67

www.ansysbilgihavuzu.com

Yükleme çeşidide girildikten sonra görmek istediğimiz sonuçlar istenir. Şekil 95

4.4

Sonuçların istenmesi

Şekil 96

4.5 Solve Bundan sonra butonuna tıklanarak işlem gerçekleştirilir.Sonuçların görülmesi diyer yüklemelerde olduğu gibi aynı yoldan yapılır.

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

68

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 97

Şekil 98

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

69

www.ansysbilgihavuzu.com

Şekil 99 NOT: Parça malzemesi için yine Ansys Database’den faydalanarak Structural Steel seçildi.

Fatigue References 1. Hancq, D.A., Walters, A.J., Beuth, J.L., “Development of an

Object-Oriented Fatigue Tool”, Engineering with Computers, Vol 16, 2000, pp. 131-144. This paper gives details on both the underlying structure and engineering aspects of the fatigue tool.

2. Bannantine, J., Comer, J., Handrock, J. “Fundamentals of Metal Fatigue Analysis”, New Jersey, Prentice Hall (1990). This is an excellent book that explains the fundamentals of fatigue to a novice user. Many topics such as mean stress effects and rainflow counting are topics in this book. 3. Stephens, Ralph I., Fatemi, Ali, Stephens, Robert R., Fuchs, Henry O. “Metal Fatigue in Engineering”, New York, John Wiley and Sons, Inc. (2001)

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

70

www.ansysbilgihavuzu.com

4. Lampman, S.R. editor, “ASM Handbook: Volume 19, Fatigue and Fracture”, ASM International (1996). Good reference to have when conducting a fatigue analysis. Contains papers on a wide variety of fatigue topics. 5. U.S. Dept. of Defense, “MIL-HDBK-5H: “Metallic materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures”, (1998). This publication distributed by the United States government gives fatigue material properties of several common engineering alloys. It is freely downloadable over the Internet from the NASA website. http://analyst.gsfc.nasa.gov/FEMCI/links.html

Workbench’te Yorulma Analizi 28 Şubat 2008

71