seramİk kaplamali alÜmİnyum firin tepsİsİnİn transİent...

T.C. DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKINA MÜHENDISLIGI BÖLÜMÜ

SERAMİK KAPLAMALI ALÜMİNYUM FIRIN

TEPSİSİNİN TRANSİENT ISIL GERİLME

ANALİZİ

BİTİRME PROJESİ

Samet ÇARIKÇI

Projeyi Yöneten Prof. Dr. Mehmet Zor

Ocak, 2013 İZMİR

T.C. Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü

Form BP-F1: Bitirme Projesi Teklif ve Eğitim Planına Uygunluk Bildirimi Formu

Proje Teklifini Veren Öğretim Üyesi : Proje Adı : Proje Öğrencisinin, Adı, Soyadı, Numarası : B1. Projenin kategorisi: Bu Proje, □ Mekanik Tasarım Projesidir. □ Isıl Tasarım Projesidir. B2. Projenin özelliği:

□ Proje disiplin-içi bir proje olacaktır.

○ Proje bir disiplinde, tek bir alt dalı kapsayan bir proje olacaktır.

○ Proje aynı disiplinde, fakat birden fazla alt dalları kapsayan bir proje olacaktır.

□ Proje disiplinler-arası bir proje olacaktır. Katkıda bulunacak olan disiplinler: B3. Projenin MÜDEK Ölçüt 5.5 ile uyumluluğu (Bu bölümden toplan en az 5 puan bildirilmelidir.): Proje aşağıda verilen konu başlıklarının hangilerini, ne ölçüde içerecektir* (0: Hiç, 3: Tam anlamıyla). 1.) Ekonomi □ 0 □ 1 □ 2 □ 3

2.) Çevre sorunları □ 0 □ 1 □ 2 □ 3

3.) Sürdürülebilirlik □ 0 □ 1 □ 2 □ 3

4.) Üretilebilirlik □ 0 □ 1 □ 2 □ 3

5.) Mesleki ve Etik Sorumluluk Bilinci □ 0 □ 1 □ 2 □ 3

6.) Sağlık □ 0 □ 1 □ 2 □ 3

7.) Güvenlik □ 0 □ 1 □ 2 □ 3

8.) Sosyal ve Politik Sorunlar □ 0 □ 1 □ 2 □ 3

9.) Gerçek Yaşam Kısıtlarını Dikkate Alma □ 0 □ 1 □ 2 □ 3

10.) Diğer (Belirtiniz)……………………………………… □ 0 □ 1 □ 2 □ 3 * Belirtilen konu ve kısıtların içeriği için MÜDEK Ölçüt 5.5.’i inceleyiniz. Belirtilen kriterlerin proje çalışmasında kapalı olarak sağlanması yeterli değildir. Konuların Bitirme Projesi Tezi içerisinde açık bir şekilde yer almasını sağlayınız.

T.C. Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü

Form BP-F2: Bitirme Projesi Bilgi Formu Bitirme Projesi Numarası : Proje Adı : Proje Danışmanı, Ünvanı, Adı, Soyadı : Prof.Dr. Mehmet Zor Proje Öğrencisinin Adı, Soyadı, Numarası : Samet Çarıkçı - 2005485014 Proje Özeti (Türkçe) (Ençok 300 kelime) : Bu projede seramik iç yüzeyi seramik kaplama bir alüinyum fırın tepsisinin, seçilen bir sıcaklıktan doğal taşınımla oda sıcaklığına soğuması esnasında belirli bir anda oluşan gerilmeler ANSYS Workbench programı ile transient ısıl analiz yapılarak elde edilmiştir. Bu işlem seramik kaplamanın ısıl genleşme katsayısı değiştirlerek tekrarlanmıştır. İç hacimleri eşit, toplamda üç farklı geometriye sahip modellerden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve gerilme oluşumu bakımından en avantajlı model seçilerek daha hızlı soğumaya neden olan mermer ile temas halindeyken soğuma durumunda da gerilmeler bulunmuştur. Anahtar Kelimeler (Ençok 5 adet) : Isıl Gerilmeler, Seramik, Aluminyum Project Summary (English) (Max 300 words): In this project, an ANSYS transient thermal - stress analysis has been run on a ceramic coated aluminum cookware to determine the stresses that occur on the bodies in the natural cooling process in room temperature. This analysis has been repeated with changing CTEs on ceramic coating. In total, same analysis setup have been run on three different models with equal usable inner volume and the most beneficial geometry has been determined. After that, this geometry was used in a situation, where the cookware is put on a relatively cold marble surface and cooled naturaly through convection and also conduction. Then the stresses that occur in this situation have been determined and compared with previous results. Keywords (Max 5 items) : Transient Thermal Stresses, Ceramics, Aluminum

TEZ SINAV SONUÇ FORMU

Bu çalışma … / … / … günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ olarak

kabul edilmiştir / edilmemiştir.

Yarıyıl için başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden ………..(………………) dir.

Başkan Üye Üye

Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,

……………. Numaralı …………….. jürimiz tarafından … / ….. / …….. günü saat ……da

yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden …………….. almıştır.

Başkan Üye Üye

ONAY

TEŞEKKÜR

Bitirme projem sirasinda değerli zamanını esirgemeyen danışman hocam Prof. Dr.

Mehmet ZOR’a, ve desteklerinden dolayı aileme teşekkür ederim.

Samet ÇARIKÇI

ÖZET

Bu çalışmada, seramik kaplı alüminyum alaşımdan yapılmış bir fırın tepsisinin, seçilen

bir kullanım sıcaklığından başlayarak, doğal taşınım ile oda sıcaklığına soğuması esnasında,

yine seçilen bir zamanda model üzerinde oluşan gerilmeler, ANSYS Workbench programı

ile transient ısıl gerilme analizi yapılarak elde edilmiştir.

Çalışmada iç hacimleri eşit, geometrileri farklı üç model üzerinde, seramik kaplamanın

ısıl genleşme katsayısı değiştirilerek analiz tekrarlanmış ve ısıl genleşme katsayısındaki

değişime bağlı olarak modelde soğuma esnasında 2000. saniyede oluşan azami gerilmeler

elde edilmiştir. Daha sonra farklı modellerden aynı şartlar altında elde edilen bu veriler

karşılaştırılarak grafik olarak sunulmuştur.

Modellerin arasından, gerilmeler bakımından en avantajlı olanıyla, yine oda sıcaklığında

bir mermer üzerine soğumaya bırakıldığı durumda oluşan gerilmeler incelenmiş ve

karşılaştırması yapılmıştır.

Projede İç Ölçüleri Kullanılan Tepsi

1

İÇİNDEKİLER

Sayfa

İçindekiler.................................................................................................................. ................1

Tablo Listesi..............................................................................................................................3

Şekil Listesi...............................................................................................................................4

BÖLÜM BİR

GİRİŞ

1.1 Seramiğin Tanımı, Tarihi ve Mühendislikteki Yeri............................................................6

BÖLÜM İKİ

MODELİN OLUŞTURULMASI VE ANALİZ

2.1 Modelleme...........................................................................................................................7

2.2 Malzeme Ayarları................................................................................................................9

2.3 Model Ayarları ve Mesh....................................................................................................10

2.4 Isıl Analiz Sınır Şartları.....................................................................................................11

2.5 Adım Sayısı ve Adım Zamanları.......................................................................................12

2.6 Transient Termal Analizden Static Yapısal Analize Geçiş...............................................13

2.7 Statik Yapısal Analiz Ayarları..........................................................................................14

2.8 Statik Yapısal Analizde Yük ve Desteklerin Uygulanması...............................................16

2

BÖLÜM ÜÇ

SONUÇLAR

Sayfa

3.1 Seramik Kaplama αseramik = α1 Durumunda Sonuçlar........................................................18







3.8 Analiz Sonuçlarının Modellere Göre Kıyaslanması..........................................................29

3.9 Silindirik Model, 23oC Mermer Üzerinde Soğuduğu Esnada Oluşan Gerilmeler.............29

BÖLÜM DÖRT

SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ

4.1 Değerlendirme...................................................................................................................38

3

TABLO LİSTESİ

Sayfa

Tablo 2.1 Kullanılan Malzemelerin Özellikleri........................................................................9

Tablo 2.2 Seramik Kaplama için Kullanılan Isıl Genleşme Değerleri......................................9

4

ŞEKİL LİSTESİ

Sayfa

Şekil 2.1 Dikdörtgen Prizma Model..........................................................................................8

Şekil 2.2 Kesik Konik Model....................................................................................................8

Şekil 2.3 Silindirik Model.........................................................................................................8

Şekil 2.4a SolidWorks Programından ANSYS Workbenche Geçiş........................................10

Şekil 2.4b Aktarılan Geometrinin (A), Bir Analizde (B) Kullanılması..................................10

Şekil 2.5 Yüklerin 1. Saniyeden İtibaren Etkisiz Hale Getirilmesi.........................................11

Şekil 2.6 Silindirik Modelin 1.Tür Analiz Koşullarında Transient Sıcaklık Dağılımı............12

Şekil 2.7 Silindirik Modelin 2.Tür Analiz Koşullarında Transient Sıcaklık Dağılımı............13

Şekil 2.8 Transient Isıl Analizden, Statik Yapısal Analize Geçiş...........................................14

Şekil 2.9 Yapısal Analiz Mesh Ayarları..................................................................................15

Şekil 2.10 Gövde ve Kaplamanın Mesh Kesiti.......................................................................16

Şekil 2.11 Alınan Veri Zamanları(sol) – Analiz Adım Zamanları (sağ).................................17

Şekil 3.1.1 Dikdörtgen Prizma Modelde (α1) Von Mises Gerilmeleri....................................18

Şekil 3.1.2 Silindirik Modelde (α1) Von Mises Gerilmeleri....................................................19

Şekil 3.1.3 Kesik Konik Modelde (α1) Von Mises Gerilmeleri..............................................19












5

Sayfa








Şekil 3.8 Modellerde Oluşan, Azami Gerilme-CTE Grafiği...................................................29

Şekil 3.9.1a αseramik=α1 Durumu ...............................................................................................30

Şekil 3.9.1b α1 Durumu Azami Gerilim Değerinin Zamana Bağlı Değişimi..........................30

Şekil 3.9.2a αseramik=α2 Durumu................................................................................................31

Şekil 3.9.2b α2 Durumu Azami Gerilim Değerinin Zamana Bağlı Değişimi .........................31











Şekil 3.9.8 I.Tür (Normal) ve II.Tür Analiz Sonuçlarının Kıyaslaması..................................37

6

BÖLÜM BİR

GİRİŞ

1.1 Seramiğin Tanımı, Tarihi ve Mühendislikteki Yeri

Seramik inorganik, ametal bir materyaldir. Yapısal olarak kristal, kısmi kristal veya amorf

bir yapıya sahip olabilir. Tarih boyunca çeşitli türleri süs eşyası ve sanatsal eserlerin

yapımında kullanılmıştır.

Seramiğin mühendislik alanındaki hikayesi 1709 yılında Abraham Darby’nin döküm

verimini artırmak için kok kömürü kullanmasıyla başlar. Kok günümüzde karbür

seramiklerinin yapımında kullanılıyor. 1888 yılında Avusturyalı kimyager Carl Josef Bayer

boksitten alüminayı ayırmak için gerekli işlemi bulur. Günümüzde de aynı işlem hem

seramik hem de alüminyum endüstrisi için, alüminanın arındırılmasında kullanılmaktadır.

Yine 1880 dolaylarında Pierre ve Jacques Curie piezoelektrikliği keşfeder. Piezoelektriklik

elektroseramiklerin en önemli özelliklerindendir. 1893’te Edward G. Acheson kok ve kili ısıl

ortamda karıştırıp karburundum, yani sentetik silikon karbürü keşfeder. Aynı zamanda,

Henri Moissan sentetik SiC ve tungsten karbür üretir. 1923’te Karl Shröter likit faz

sinterlemeyle, Moissan’ın tungsten karbürünü kobalt ile birleştirmeyi başarır. Metale

birleştirilen karbürler sayesinde metal işlemede kullanılan sert çeliklerin ömrü kayda değer

bir biçimde artmış olur.

Seramik türleri; yüksek sertlik, yüksek sıcaklıklara dayanım, yüksek elektriksel

yalıtkanlık, ısıl yalıtkanlık ya da iletkenlik vb. özellikleri nedeniyle bilinenden çok daha

fazla alanda kullanılmaktadır. Mühendislik alanında ekstrim noktalarda adeta mecbur

kalınan bu malzemenin en önemli dezavantajı ise gevrek bir malzeme olmasıdır.

Seramik türleri türbin yataklarından, uzay araçları nozzle larına kadar birçok gelişmiş

uygulamada kullanıldığı gibi günlük hayatta daha fazla rastlayabileceğimiz aydınlatma,

mutfak aletleri, medikal aletler vb. alanlarda da kullanılmaktadır.

7

Seramik geleneksel olarak yemek takımlarındaki kullanım alanını korumakta, ve yemek

pişirme alanında da yapışmaz ve çizilmez seramikler olarak yerini almaya başlamaktadır.

Özellikle, fırınlarda yemek pişirme/ısıtma sıcaklıkları olan, 120-250 C derece arasında

birçok materyalin insan sağlığına zararlı salınımlar yaptığı yapılan testlerde ortaya çıkmış,

bu da pişirme esnasında iç yüzeylerde yeni materyallerin kullanıma sunulma ihtiyacını

artırmıştır. Yapışmazlar alanındaki lider TEFLON’da da üretim ve kullanım esnasında

ortama kanserojen, perfluorooktanik asit (PFOA) salındığının ortaya çıkmasından sonra

sekiz büyük üretici bu üretimi durduracaklarını açıklamıştır[1]

. Bu alanda termal şoklara

dayanıklı, gözeneksiz ve gıda standartlarına uygun seramiklerin pazar payını artırması

kaçınılmaz olacaktır.

Seramiklerin yapışmazlık, çizilmezlik ve termal şok dayanımı alanındaki büyük

avantajları olmasına rağmen, ısıl iletim alanındaki dezavantajı(en azından uygun fiyatlı ve

gıda alanında kullanıma uygun olanlarında) büyüktür. Bu yüzden daha çok ateşle direkt

teması olmayan, ışınım ile ısınmaya dayalı fırın tepsisi gibi mutfak aletlerinde

kullanılmaktadır. Bu analizde de seramik kaplı fırın tepsisinin transient ısıl gerilmeleri

incelenmiştir.

BÖLÜM İKİ

MODELİNİN OLUŞTURULMASI VE ANALİZ

2.1. Modelleme

Firin tepsisi; iç boyutları 308x195x78 mm olan dikdörtgen prizma şeklinde tasarlanmıştır.

Taban ve yanal alanların birleşim yerleri 5mm, yanal alanların birleşim yerleri ise 18mm

radüs verilmek suretiyle iç hacim oluşturulmuştur.

Et kalınlığı toplamda 5mm olup, bunun 3 mm lik kısmı dışta alüminyum alaşım gövde, ve

içte seramik kaplamadır. Aynı iç hacime, derinliğe ve et kalınlıklarına sahip bir silindirik ve

bir kesik konik biçimli model de karşılaştırma amaçlı olarak hazırlanmıştır.

8

308x195x78 mm iç hacim temel boyutları.

tAl= 3 mm, tSer= 2 mm.

Tüm radüsler(fillet) eş merkezli. Taban

radüsleri içten dışa: 5mm, 7mm, 10 mm

şeklindedir. Yanal alan radüsleri ise içten dışa

18 mm, 20 mm ve 23 mm şeklindedir.

Şekil 2.1. Dikdörtgen Prizma Model

Eşitliğinden d=130x2 mm ve h=78 mm olacak

şekilde iç hacimleri eşitlediğimizde b= 146 mm

buluruz. Yani tabandan itibaren 120 açıyla

açılarak 78 mm yükselen bir şekil.Taban radüsü

yine 5, 7, 10 mm şeklindedir .

Şekil 2.2 Kesik Konik Model

İç hacmi r=138 mm, h= 78 mm temel

ölçülerinde olacak şekilde hazırlanmış model.

Taban radüsleri yine içten dışarı 5, 7, 10 mm

şeklindedir.

Şekil 2.3 Silindirik Model

9

2.2. Malzeme Ayarları

Simulasyonlarda kullanılan malzemeler; gıda standartlarına uygunluğu nedeniyle

Aluminyum alaşım AA3003, pyroceram seramik, mermer ve yiyecek olarak da buğday

unuyla yapılmış kektir.

Tablo 2.1 Kullanılan Malzemelerin Özellikleri

AA3003[3]

Seramik[4],[b]

Kek[2]

Mermer

ρ (kg/m3) 2730 2550 600 2600

α (1/oC) 2,32x10

-5 .............. 10

-4 -

E (GPa) 70 95 0,01 -

γ 0,33 0,25 0,3 -

k (W/m.oC) 210

[a] 3,64 0,3 2,5

cp (J/kg.oC) 893 800 2600 880

[a] : Kabul [b]: Bazı Değerler Kabul

Tablo 2.1 deki özellikler “Engineering Data” hücresine girilir. Tabloda seramik ısıl

genleşme katsayısı girilmemiştir. Çünkü seramikte diğer özellikleri sabit tutarak yedi adet

ısıl genleşme katsayısı kullanılmıştır. Mermerin ise gerilmeleri incelenmeyeceğinden

yanlızca ısıl özelliklerin değerleri girilmiştir. Ayrıca kekin de üzerinde oluşacak gerilmeler

önemsiz olduğundan elastik yapısal özellikleri oldukça küçük alınarak sonuçları etkilemesi

engellenmiştir.

Tablo 2.2 Seramik Kaplama için Kullanılan Isıl Genleşme Değerleri

α1[4]

α2 α3 α4 α5 α6 α7

106x αseramik 1,98 4 8 12 16 17 18

Tablo 2.1 deki değerler sabit tutuldu ve Tablo 2.2 deki değerler girilerek yedi adet

seramik malzeme datası oluşturuldu. Bu şekilde simülasyon tekrarları daha seri bir şekilde

yapıldı.

10

2.3. Model Ayarları ve Mesh

Model Solidworks’de hazırlandıktan sonra Ansys Workbench’e aktarıldı. Aktarma

esnasında tüm temas yüzeyleri de Workbench’de otomatik olarak tanımlandı. Bu yeni

sürümlerde olan bir özellik. Eski sürümlerde yine model dosyası uygun formatta

kaydedildikten sonra Ansys arayüzünden açılabilir.

Şekil 2.4a SolidWorks Programından ANSYS Workbench’e Geçiş

Şekil 2.4b Aktarılan Geometrinin(A), Bir Analizde(B) Kullanılışı

Aktarılan model açılan “Transient Thermal” grubunun “Geometri” hücresiyle paylaşıldı.

Daha sonra geometri hücresinin hemen altındaki model hücresinden, son ayarlara geçildi.

Model kısmına girdiğimizde simülasyon öncesi şekil üzerinde tüm ayarları

yapabilmekteyiz. İlk önce tüm malzemeler parçalara atandı. Alüminyum gövde ile kaplama

arası temas yüzeyleri “bonded” olarak ayarlandı. Daha sonra kaplama ile kek arası bağlantı

da “bonded” olarak ayarlandı.

Transient termal analizlerde mesh yapılırken dikkat edilmesi gereken unsur, elemanların

tercihen (mümkün olduğunca) lineer olmasıdır. Bu şekilde fizik kurallarına aykırı sonuçlar

11

alma olasılığı minimize edilmiş olur[7]

. Lineer elemanlardan oluşması için “details of mesh”

> “advanced” sekmesinden “element midside nodes” = “dropped” olarak seçildi. Bu şekilde

ortalama hassasiyette, ancak termal simülasyon için ideal bir mesh oluşturulmuş oldu.

2.4. Isıl Analiz Sınır Şartları

Çalışma esnasında iki tür analiz şartı uygulandı. İlkinde (Şekil 2.6), üç farklı geometri

üniform 200 oC sıcaklıktan 23

oC durgun hava ile taşınım yoluyla soğumaya bırakıldı ve

2000. saniyedeki gerilmeleri incelendi.

Bu analizler arasından, 2000. saniyede en düşük azami Von Mises gerilmesine sahip olan

geometri, 200 oC üniform sıcaklıktan 23

oC mermer üzerine bırakılarak; 23

oC durgun hava

ile taşınım yoluyla ve aynı anda mermer yüzeyle iletim yoluyla ısı transferi yapacak şekilde

soğumaya bırakıldı.

Birinci durumda tek bir sıcaklık değeri(200 oC) olduğundan yanlızca “initial

temperature”(başlangıç sıcaklığı) 200 oC girildi. Hava ile temas eden yüzeyler için ise her iki

durumda da taşınım katsayısı “convection database” ten “stagnant air simplified case”

seçildi. İkinci durumda ise parçaların analiz başlangıç sıcaklıkları farklı olduğu için, bu

farkın programa tanıtılması belli süreli termal yükler uygulanmak suretiyle yapıldı. Yani;

mermer modele, tepsi modeline(üç parçadan oluşuyor: alüminyum gövde, seramik kaplama,

kek) birer sıcaklık yükü (temperature load) uygulandı ve bu yüklere sırasıyla 23 oC ve 200

oC değerleri verildi. Yükler ilk adımdan sonra iptal edilecek şekilde ayarlandı(Şekil 2.5).

Yani ilk adım bittiği andan itibaren (1. saniyeden sonra) 23 o

C ve 200 oC lik sıcaklık yükleri

etkisiz hale geldi ve sonrasında tüm elemanların sıcaklıkları ısı transferleri ile belirlendi.

Şekil 2.5 Yüklerin 1. Saniyeden Sonra Etkisiz Hale Getirilmesi

12

2.5. Adım Sayısı ve Adım Zamanları

Eğer transient termal analiz, tek bir üniform sıcaklık değerinden başlıyorsa çözüm tek bir

adım ile yapılabilir. Ancak, yapılan analizlerden birinde iki farklı üniform sıcaklık

olduğundan ve 2.4 numaralı başlık altında açıklandığı üzere 0-1 sn arası sıcaklıklar sabit

tutulacağından, en az iki adım gereklidir. Şekil 2.5 te gösterilen örnekte ise analiz 3 adımda

çözülmüştür(0-1sn arası 1.adım, 1-20sn arası 2.adım 20-2000sn arası 3.adım).

Adımların da kaça bölüneceğini, yani adım içindeki adımları da zaman olarak veya alt-

adım(substep) sayısı olarak ayarlayabiliyoruz. Burada da adımın tüm süresine göre uygun

incelikte adım veya zaman seçimi yapıldı. Özellikle başlangıç zamanı(initial time step)

önemli olduğundan, bu değer 0,25 sn seçildi.

Bu şekilde ayarlanan analiz, mümkün olan en hassas seviyede transient sıcaklık

dağılımını buldu (Şekil 2.6 ve 2.7)

Şekil 2.6 Silindirik Modelin 1. Tür Analiz Koşullarında Transient Sıcaklık Dağılımı

13

Şekil 2.7 Silindirik Modelin 2. Tür Simülasyonda Transient Sıcaklık Dağılımı

2.6. Transient Termal Analizden Statik Yapısal Analize Geçiş

Çözüm esnasında analizini yaptığımız 2000 saniyelik süre içinde seçtiğimiz adımlar

dışında program, 2.5 başlığında anlatıldığı şekilde, ayarlara göre çok sayıda zamanda

modelin sıcaklık zamanını bulur ve kaydeder.

Genel proje ekranında “Transient Thermal” grubunun yanına bağımsız bir Static-

Structural grubu açıldı(Ancak istenirse tamamen bağımlı da açılabilir.). Burada bağımsız

açılmasının nedeni, yanlızca istenen hücrelerin paylaşılacak olmasıdır. Bu şekilde yanlızca

geometriler ve transient termal sonuçları paylaşılmıştır. Bu sayede ısıl ve gerilme

analizlerinin modelleri ve materyalleri ayrı olmuş, sonuç olarak da seramik kaplamanın

değişik ısıl genleşme katsayılarına göre simulasyonun yanlızca static structural bölümü

tekrar edilmiş, ve iki ayrı simülasyonun doğalarına uygun iki farklı mesh oluşturma ihtimali

doğmuştur (Şekil 2.8).

Daha önce 2.3 başlığı altında anlatıldığı gibi termal sistemlerde lineer elemanlar(orta

nokta node’ları olmayan elemanlar) daha isabetli sonuçlar vermektedir. Buna karşın

14

structural sistemlerde non-lineer elemanlar(orta nokta node’ları olan elemanlar) isabetli

sonuçlar vermektedir, aynı isabeti yakalamak için (özellikle modelin kıvrımlı bölgelerinde)

lineer elemanların sayısının çok fazla olması gerekmektedir. Bu sebeple, iki farklı mesh

oluşturulmuştur.

Şekil 2.8 Transient Isıl Analizden, Statik Yapısal Analize Geçiş

2.7 Statik Yapısal Analiz Ayarları

İkinci tür simülasyonlarda gerilmesi bulunmak istenmeyen mermer parça bastırıldı

(supress). Her iki simülasyon tipinde de structural analiz için ortak olan mesh ayarları yapıldı

(Şekil 2.9). Burada mesh metodu tüm parçalar için tetrahedral olarak seçildi. Çünkü

hexagonal mesh, eğimli yüzeylerin tanımlanmasında çok iyi sonuçlar vermedi. Daha sonra

“Details of Mesh” sekmesinde “Relevance” -25 , “Sizing” alt sekmesinde “Use Advanced

Size Function” “On: Curvature” olarak, ve “Span Angle Centre” “Fine” olarak ayarlandı. Bu

sayede hem eğimli yüzeyler başarılı bir şekilde tanımlanmış oldu hem de katı cisimlerinin

ortalarında gereksiz fazlalıkta eleman oluşturulmamış oldu (Şekil 2.10).

15

Şekil 2.9 Yapısal Analiz Mesh Ayarları

16

Şekil 2.10 Gövde ve Kaplamanın Mesh Kesiti

Static Structural penceresinde en önemli ayrıntılardan birisi de ısıl gerilmelerin sıfır

olduğu referans sıcaklığı (TREF) ayarıdır. Bu, gerilme analizi yapılan tüm modeller

başlangıçta 200 oC de olduğundan, 200

oC olarak ayarlandı (Static Structural > Options >

Environment Temperature= 200 o

C). Gerilme analizi yapılacaklar arasında başlangıç

sıcaklıkları farklı olan modeller olsaydı, o zaman referans sıcaklık değeri Geometry >

Options > Referance Temp. > By Body > “Değer” şeklinde teker teker tanımlanırdı.

2.8. Statik Yapısal Analizde Yük ve Desteklerin Uygulanması

Şekil 2.8 de görüldüğü gibi transient ısıl analizin sonuçları gerilme analizinin “setup”ı ile

paylaşıldığı için gerilme analizi ana penceresinde “imported body temperature” olarak

dışarıdan alınan sıcaklık yükleri hazır halde görülür. Burada belirtilmesi gereken hangi

zamanlarda yük alınmak(source time) ve alınan verinin hangi zamanda kullanılmak(analysis

time) istendiğidir. Hesaplamalarda 30 adet noktadan veri alındı.

17

Bir diğer önemli nokta da; veri kullanım zamanlarının(analysis time), gerilme

analizinin(static structural) adım zamanlarıyla bire bir uyum göstermesi gerekliliğidir. Şekil

2.11’de bu açıkça gösterilmiştir.

Şekil 2.11 Alınan Veri Zamanları (sol) – Analiz Adım Zamanları (sağ)

Bu şart sağlanmadığı zaman, program hata verip işlemi sonlandıracaktır.

Destek(support) olarak da modelin taban alanına “displacement” eklendi ve tabanın

normali yönündeki eksene 0 mm girildi. Diğer eksenler serbest bırakıldı. Bu destek ile

model, taban alanı normali yönünde (yukarı-aşağı) hareket edemez hale getirilmiş oldu.

Bu işlemlerden sonra “Solve” tuşuna basılarak çözüm gerçekleştirildi.

18

BÖLÜM ÜÇ

SONUÇLAR

Bu bölümde; geometrik olarak farklı, ancak iç hacim olarak eşit iki tepsi modelinin,

seramik kaplamalarına ayrı ayrı, yedişer değişik ısıl genleşme katsayısı (her seferinde gövde

malzemesinin ısıl genleşme katsayısına yaklaşarak) verilerek yapılan transient ısıl gerilme

analizi sonuçları yer aliyor. Malzemelerin özellikleri Tablo 2.1 ve 2.2 de verilmiştir.

3.1. Seramik Kaplama αseramik = α1 Durumunda Sonuçlar

3.1.1 Dikdörtgen Prizma Model (α1):

Şekil 3.1.1 Dikdörtgen Prizma Modelde (α1) Von Mises Gerilmeleri

19

3.1.2. Silindirik Model (α1):

Şekil 3.1.2 Silindirik Modelde (α1) Von Mises Gerilmeleri

3.1.3 Kesik Konik Model (α1):

Şekil 3.1.3 Kesik Konik Modelde (α1) Von Mises Gerilmeleri

20

3.2. Seramik Kaplama αseramik = α2 Durumunda Sonuçlar



3.2.2 Silindirik Model (α2):


21



3.3 Seramik Kaplama αseramik = α3 Durumunda Sonuçlar



22


Şekil 3.3.2 Silindirik Modelde (α3) Von Mises Gerilmesi



23






24

3.4.3 Kesik Koni Model (α4):

Şekil 3.4.3 Kesik Koni Modelde (α4) Von Mises Gerilmeleri




25





26



Şekil 3.6.1 Dikdörtgen Prizmatik Modelde (α6) Von Mises Gerilmeleri



27





Şekil 3.7.1 Dikdörtgen Prizma Model (α7)de Von Mises Gerilmeleri

28





29

3.8 Analiz Sonuçlarının Modellere Göre Kıyaslanması

Seramik için seçilen ısıl genleşme katsayılarının tümünde, analiz sonuçlarında görülen

azami Von Misses gerilmeleri MS Excel ile grafik olarak elde edildi.

Şekil 3.8 Modellerde Oluşan, Azami Gerilme – CTE Grafiği

3.9 Silindirik Model 23 oC Mermer Üzerinde Soğuduğu Esnada Oluşan Gerilmeler

Bu analizde ise aynı modele bir adet de 1x0,5 metre boyutlarında 23oC mermer üzerine

“bonded” olarak yerleştirilmiş. Yine 23oC durgun hava ile taşınım ayarları yapılmıştır.

Gerilmeler yine, 2000.saniyede yanlızca alüminyum gövde ve seramik kaplama için

incelenecektir.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

0,00E+00 4,00E-06 8,00E-06 1,20E-05 1,60E-05 2,00E-05

Mo

del

de

Olu

şan

Aza

mi V

on

Mis

ses

Ge

rilm

esi

[M

Pa]

Isıl Genleşme Katsayısı (CTE) [1/oC]

Prizmatik

Silindirik

Konik

30

Şekil 3.9.1a αseramik=α1 Durumu

Şekil 3.9.1b α1 Durumu Azami Gerilim Değerinin Zamana Bağlı Değişimi

20.sn de ani zirve oluşuyor. (205 MPa)

31




32




33




34




35

Şekil 3.9.6a α6 Durumu



36




37

Şekil 3.9.8 I.Tür(Normal) ve II.Tür Analiz Sonuçlarının Kıyaslanması

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0,0E+00 4,0E-06 8,0E-06 1,2E-05 1,6E-05 2,0E-05

Mo

del

de

Olu

şan

Aza

mi V

on

Mis

ses

Ger

ilme

si

(MP

a)

CTE (1/oC)

Mermer ÜzerindeNormal

38

BÖLÜM DÖRT

SONUÇLARIN DEGERLENDIRILMESI

4.1 Değerlendirme

Üç farklı geometriye sahip modelin, aynı çevresel koşullarda, yanlızca 23 oC durgun hava

ile temas halinde soğuması sırasında oluşan gerilmeler, ANSYS analizleriyle bulundu.

Analiz; modellerin her biri için, diğer tüm özellikler sabit tutularak, seramik kaplamanın

yedi farklı ısıl genleşme katsayısıyla tekrarlandı (toplam 21 analiz). Sonuçlar grafik haline

getirildi(Şekil 3.8).

Şekil 3.8 den de açıkça görüldüğü üzere radyal yapıdaki modellerde oluşan gerilmeler

prizmatik modele nazaran oldukça azdır. Aynı işlevi görecek olan bu seramik kaplı tepsilerin

üretiminde, silindirik modelin tercih edilmesi ANSYS transient ısıl stress analizinden alınan

sonuçlara göre, daha uygun olacaktır. Ayrıca, burada seçilecek kaplamanın ısıl genleşme

katsayısının, alüminyum alaşımın ısıl genleşme katsayısından farkının 6.2x10-6 civarında

olması gerektiği anlaşılıyor.

Yanlızca 23 oC hava ile temas halinde soğumanın, 23

oC mermere temas ederken aynı

anda hava ile soğumaya göre kıyaslanması Şekil 3.9.8 de yapılmıştır. Açıkça görüleceği

üzere; 2000. saniyede her ısıl genleşme değerinde, model üzerinde ulaşılan azami gerilme

değeri mermere temaslı durumda daha fazla olmuştur. Bu; çok ani ve daha hızlı soğuma ile

açıklanabilir. Şekil 3.9.1b ila 3.9.7b aralığındaki grafikler çok kısa sürede modelde iç

sıcaklık farklarının yüksek olması nedeniyle gerilmelerde uç noktalar oluştuğunu ortaya

koymaktadır. Yani; tepsinin fırından çıkarıldığı an (kendisine kıyasla) oldukça düşük

sıcaklıktaki mermer bir yüzeye konulması durumunda, kaplamada çatlak oluşma olasılığı,

daha düzenli ve yavaş soğuma gerçekleştiği duruma göre oldukça yüksektir.

KAYNAKLAR

[1] www.washingtonpost.com/wpdyn/content/article/2006/01/25/AR2006012502041.html

[2] BAIK O. D., SABLANI S. S., MARCOTTE M. ve CASTAIGNE F. “Modeling the

Thermal Properties of a Cup Cake During Baking” Journal of Food Science, Volume 64,

Issue 2, pages 295–299, March 1999

[3] http://www.efunda.com/

[4] HOWIE J.R. - US Patent 3869596, Column 2, Row 59, 1975

5 MOAVENI S. Finite Element Analysis-Theory and Application with ANSYS, Prentice-

Hall Inc., 1999

6 http://www.figes.com.tr

[7] http://www.simutechgroup.com/FEA/fea-tips-tricks-ansys-thermal-non-physical-

results.html

seramİk kaplamali alÜmİnyum firin tepsİsİnİn transİent...

Documents