Bir Yelkenli Teknenin Yapısal Model Parametrelerinin Doğrulanması
Yapıların tasarımında geçerli bir Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) çok önemlidir. Polimi Yelken Ekibi, yapısal sağlık değerlendirmelerinin güvenilirliğini artırmak için gerinim ölçer ölçümleri yoluyla sayısal model doğrulaması gerçekleştirmektedir. Ekip, delaminasyon ve matris çatlaması gibi zorluklar sunan güçlü ancak hafif kompozit malzemeler üzerinde malzeme testleri gerçekleştirmiştir. Ekip, Dewesoft veri toplama ile malzeme özelliklerini karakterize ederek tekne bileşenlerinin yapısal bütünlüğünü optimize etmek için detay ve hesaplama maliyetini dengeleyen bir çözüm bulmaktadır.
Mühendisler kompozit malzemelere yüksek mukavemet/ağırlık oranları nedeniyle değer verirler ancak delaminasyon ve matris çatlaması gibi karmaşık arıza modlarını tespit etmede zorluklarla karşılaşırlar. Bu malzemeler, Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) ile yönetilen yapısal boyutlandırma aşamasında çok önemlidir.
Bu analiz, gerçek kullanım sırasında yapısal bütünlüklerinden ödün vermeden bileşenlerin mukavemetini ve ağırlığını optimize etmek için gereklidir. Sonlu elemanlar modelinin ayrıntıları ile hesaplama maliyeti arasında optimum bir denge sağlamak hayati önem taşır – bu dengeye ancak uygun yaklaşımlarla ulaşılabilir.
Yüksek kaliteli bir FE modeli geliştirmek için üretim süreçlerini doğru bir şekilde yansıtan malzeme veri sayfaları gerekir. Bunlar, operatörün teknik yeterliliği de dahil olmak üzere kritik değişkenlerin dikkate alınmasını sağlar. Ayrıca, teorik tahminleri gerçek deneysel sonuçlarla karşılaştıran titiz bir doğrulama prosedürü, bir FE modelinin güvenilirliğini sağlamak için vazgeçilmezdir.
Deneysel modal analiz, sayısal analizler tarafından tahmin edilen titreşim modlarını gerçek yapı üzerindeki deneysel testlerden elde edilenlerle karşılaştırır ve FE modelini dinamik olarak doğrulamak için pratik bir yaklaşımı temsil eder.
Deneyimiz, çekme testleri sayesinde malzemenin tam bir karakterizasyonunu önermektedir.
Yapının sayısal modellerini doğrulamak için gerinim ölçerlerden elde edilen deneysel veriler analiz edildi. Bu iki statik testi gerçekleştirmek için özel bir test düzeneği kullanıldı. Özellikle, bazalt fiber bazlı bir çapraz çubuk, çalışma sırasında yükleme koşullarının yüksek dinamiği nedeniyle teknenin en önemli yapısal parçalarından biri olduğu için analizin konusudur.
Bir laboratuvar masası kullanıldı ve teknedekine benzer bir bağlantı gerçekleştirmek için D12 vidaları ve cıvataları yerleştirmek üzere dört delik açıldı.
Ayrıca, hizmet dışı bırakılmış teknelerden kurtarılan eski makaralar ve büyük bir kontrplak levha kullanıldı.
Malzeme karakterizasyonu
Kullanılan malzeme
Çapraz çubukları üretmek için geri dönüştürülebilir malzemelerden oluşan bir parça kullanıldı. Bazalt elyaf, doğrudan bazaltın eritilmesi ve ekstrüzyonundan elde edilen doğal bir elyaftır. Mekanik özellikleri onu cam elyaftan üstün ve karbon elyafa sürdürülebilir bir alternatif haline getirmektedir. İnfüzyon işlemleri (Elium) için %45’e kadar tüketici sonrası PET ve termoplastik reçineden yapılmış Divinycell PR 200 uygulandı. Termokimyasal piroliz işlemi sayesinde orijinal malzemeler geri kazandırılabilir.
Numune üretimi
Cam yüzey üzerine lamine edilmiş bazalt, numunelerde pürüzsüz bir yüzey elde edilmesini sağlamıştır. Sarf malzemelerinin kullanımını en aza indirilerek, tüm numuneler tek bir infüzyon işleminde üretilebildi. Testlerin geometrisi ve prosedürü, 0° ve 90° tipleri için D3039 ve +-45° tipleri için D3518 ASTM standartlarına göre gerçekleştirilmiştir.
Daha önce American Society for Testing and Materials olarak bilinen ASTM International, çok çeşitli malzemeler, ürünler, sistemler ve hizmetler için teknik uluslararası standartlar geliştiren ve yayınlayan bir standart kuruluşudur.
ASTM D3039: Polimer Matrisli Kompozit Malzemelerin Çekme Özellikleri için Standart Test Yöntemi – kompozit malzemelerin çekme özelliklerini belirlemek için yaygın olarak kullanılır
ASTM D3518, Polimer Matrisli Kompozit Malzemelerin ±45° Laminatın Çekme Testi ile Düzlem İçi Kesme Tepkisi için Standart Test Yöntemi – yüksek modüllü fiberlerle güçlendirilmiş polimer matrisli kompozit malzemelerin düzlem içi kesme tepkisini ölçmek için tasarlanmıştır.
Çekme testi sonuçlarının analizi
Bazı lojistik sorunlar nedeniyle numune sayısı beklenenden farklı olmuştur. Bununla birlikte, sonuçlardaki varyasyonun ihmal edilebilir olduğu üst üste bindirilmiş grafiklerden görüldüğü gibi, yine de tutarlı sonuçlar elde edilmiştir. Testlerden aşağıdaki malzeme verileri elde edilebilmiştir:
Bazı farklılıklar gösteren tek eğriler 45°’deki numunelerdir, ancak birkaç gözlem yapılmıştır. İlk olarak, kompozitlerde tipik olarak bulunmayan plastik bir faz vardır. Bu plastik faz, muhtemelen çekme testi sırasında sürtünme nedeniyle bozulan ve iç sıcaklık artışına neden olan reçinemizin termoplastik yapısından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, iki numunenin biraz farklı olduğu bu eğrilerin yalnızca başlangıç aşaması dikkate alınmıştır.
| Test 90° | E2 [Mpa] | Ten Stress Transv Dir [Mpa] | Test 0° | E1 [Mpa] | Tens Stress Fiber Dir [Mpa] | Test 45° | Shear Strength [Mpa] |
| n°1 | 13470 | 16.7 | n°1 | 39608 | 874 | n°1 | 19 |
| n°2 | 15072 | 17.08 | n°2 | 39111 | 839 | n°2 | 19 |
| n°3 | 13523 | 16.85 | n°3 | 39062 | 802 | ||
| n°4 | 15701 | 17.14 |
Yapının sonlu eleman modeli
Analiz edilen yapı
Analiz edilen yapı teknenin en stresli kısımlarından biridir. Yarış boyunca kaptanı destekler ve aşırı bükülmeden ağırlığı taşımalıdır. Teknenin ekolojik ayak izini iyileştirmek için, geçen yıl benimsenen çözüm olan karbon fiber ve fiberglastan yapılmış kanatlardan, bazalt fiber ve çekirdekten yapılmış iki çapraz çubuktan oluşan bir çözüme geçilmiştir.
Çapraz çubuk üretimi
Kanat tasarımı, tüm kanadın kalıpsız olarak üretilmesine olanak tanıyacak şekilde kolay üretim düşünülerek yapılmıştır.
Bunu başarmak için kanatlar iki bileşene ayrılmıştır: çapraz çubuklar ve trambolinler.
Çapraz çubuğu, 70 mm kalınlığındaki Divinycell PR 200 levhadan çekirdeği kesilerek ve ince bir kontrplak deseni takip edilerek el tipi bir freze ile kesilerek üretilmiştir. Nihai taslak elde edildikten sonra, gerekli filetoları elde etmek için tüm kenarlar zımparalanmış ve törpülenmiştir. Buradaki amaç kaplama işlemini kolaylaştırmak ve kompozit malzemelere zarar veren keskin kenarlardan kaçınmaktır.
Çapraz çubuklar için kompozit tabakanın üretilmesi, karmaşıklığı ve parçayı oluşturan kat sayısı nedeniyle zorlayıcı olmuştur. İlk olarak, her bir kat bir kağıt şablon kullanılarak elle kesilmiştir. İkinci olarak, üstteki ve alttaki tek yönlü katlar sadece göbeğin üzerine yerleştirilirse düşeceğinden, bunları bir Airtech sprey yapıştırıcısı olan Airtac kullanarak yapıştırmak zorunda kalınmıştır.
Çapraz çubuğun etrafına sarılan en dıştaki kat için, tutkal deriyi yerinde tutmak için yeterli olmamıştır; bu nedenle, infüzyon sırasında üzerinde kalacak ve bitmiş bileşenin bir parçası olacak çizim pimleri kullanarak sabitlemeye karar verilmiştir.
Karmaşık geometri, iyi bir reçine akışı elde edilmesini ve infüzyon sırasında katları yerinde tutmayı zorlaştırmıştır. Üst ve alt taraflar için tüm çapraz çubuk uzunluğunda iki ayrı spiral enjeksiyon hattı ile birleştirilmiş bir ağ kullanılmıştır. Uygulanan Peel Ply, bileşenin etrafında lokal reçine birikimini ortadan kaldırmıştır.
Özel şekil, tek bir infüzyon sırasında iki çapraz çubuğun üretilmesine izin vererek, soyma kat, ağ, vakum torbası, vakum hatları ve tüplerdeki artık reçine gibi üretimle ilişkili sarf malzemelerini azaltmıştır.
Statik analiz
Çapraz çubuğun kaptan tarafından uygulanan gerilimlere dayanabilmesini sağlamak için gerekli kalınlığı ve katman sayısını belirlemek üzere bir sonlu elemanlar modeli (FEM) kullanılmıştır. Senaryoyu tüm gerilimleri tek bir çapraz çubuk taşıyormuş gibi analiz edilmiş ve gövde üzerindeki destek rijit olarak modellemiştir, böylece tüm yük çapraz çubuğa aktarılmıştır.
Münferit bileşenlerin detaylı analizine ek olarak yapı da analiz edilmiştir. Bu kapsamlı değerlendirme, FEM simülasyonlarına göre yapının uygulanan gerilimlere dayanabileceğini doğrulamıştır.
FEM analizleri için, kalınlıkları nedeniyle kabuk modellemesini uygun kılmayan iç çekirdek için katı elemanlar kullanılırken, kompozit katmanlar için kabuk elemanlar kullanılmıştır. Sınır koşulları, çapraz çubuğun tabanında sabit destek ve uçta 800N’luk bir aşağı doğru kuvvet uygulanmasını içermektedir.
Malzeme gerilimlerini değerlendirmek için Galileo-Rankine ve Tsai-Hill kriterleri kullanılmıştır:
– Çekirdek için Galileo-Rankine Kriteri: Kırılgan malzemeler için uygun olan bu kriter, başarısızlığı değerlendirmek için maksimum çekme ve basınç gerilmelerini birleştirir. Kullanılan formül şöyledir:
𝜎 𝑡 malzeme çekme dayanımı, 𝜎 𝑐 basma dayanımı, 𝜎 1 ve 𝜎 2 ise asal gerilmelerdir.
Lifler için Tsai-Hill Kriteri: Bu kriter kompozitler gibi anizotropik malzemeler içindir. Farklı stres bileşenlerinin etkileşimine dayalı olarak başarısızlığı tahmin etmek için malzemedeki birleşik stresleri değerlendirir. Formül şöyledir:
Burada 𝜎𝑥 ve 𝜎𝑦 asal gerilmelerdir ve 𝜏𝑥𝑦 kayma gerilmesidir. Tek yönlü ve dimi liflerin ana kombinasyonlarını değerlendirerek laminasyon sırasını tanımlamak için iteratif bir yaklaşım kullanıldı. Bu sürecin sonunda, çapraz çubuğun FEM analizinden elde edilen sonuçlar, kaplamalar için 1,14’lük bir güvenlik faktörüne ve çekirdek için 3,4’lük bir güvenlik faktörüne işaret etmiştir. Bu nedenle, FEM’e göre, yük 90 kg’ı aştığında hasar beklenmektedir.
Deneysel kurulum
Statik analiz yapmak için bir test düzeneği tasarlandı. Çapraz çubuk, teknenin gerçek mekanik kısıtlamasına benzemesi için yere menteşelenmiştir.
Statik analiz için test düzeneği aşağıdaki unsurlardan oluşmaktadır:
- Gerilme ve gerinim açısından en kritik bölümlere sekiz gerinim ölçer uygulanmıştır. Kullanılan sensörler üç telli ve 350 Ω uzunlamasına gerinim ölçerlerdir.
- Çapraz çubuğun üst kısmına statik bir yük uygulanmış ve yük bir dinamometre kullanarak ölçülmüştür. Dewesoft tarafından sağlanan yüksek kanallı dağıtılabilir bir veri toplama sistemi olan 8 kanallı SIRIUS-8xSTG, gerinim ölçerlerle ölçüm yapılmasını sağlamıştır.
Dewesoft veri dosyalarını (DXD) birçok sensörden veri alabilen ve analiz edebilen DewesoftX yazılımına aktarılmıştır. Bu özel uygulamada, yazılım aracılığıyla işlenen gerinim ölçer sonuçları, FEM modellerinden beklenen değerlerle karşılaştırdığımız zaman ortalamalı bir deformasyon sağlar.
Yapı iki konsol kirişten oluştuğu için çapraz çubuk iki teste tabi tutulmuştur. Testler kademeli olarak gerçekleştirilmiştir: statik yük artan adımlarla uygulanmıştır (ilk deneyde 10 kg ile 90 kg arasında değişen 10 kg’lık adımlar ve ikinci deneyde 80 ile 105 kg arasında değişen 5 kg’lık adımlar).
Ek olarak, bir koruma ızgarası, ani ve kırılgan bir yapı kırılması durumunda talaşların insanlara zarar vermesini önler.
Gerinim ölçerler aracılığıyla FEM doğrulaması
FEM analizlerinden elde edilen verileri doğrulamak için, fotoğrafta gösterilen konumlarda enine çubuğa sekiz adet gerinim ölçer ve güvertedeki gerçek yükü doğrulamak için yük uygulama noktasında çelik bir plakaya bir adet gerinim ölçer yerleştirilmiştir. Sekiz gerinim ölçer birbirlerine karşılık gelen konumlara yerleştirilmiştir, yani 1 ve 2 aynı konumlarda ancak 3 ve 4’ün karşı taraflarında, benzer şekilde 5 ve 6 ile 7 ve 8.
Dewesoft’un 8 girişli veri toplama sistemi kullanılmıştır ve böylece yükü değerlendirmek için kullanılan gerinim ölçere yer açmak için 8 numaralı pozisyondaki gerinim ölçer kullanmamaya karar verilmiştir. Bununla birlikte, bu göstergede de sorunlarla karşılaşıldığından dolayı yalnızca 1 ila 7 konumlarındaki çapraz çubuk üzerindeki gerinim göstergeleri analiz edilmiştir. Daha sonra bu gerinim ölçerlerden ve FEM’den elde edilen sonuçlar çıkarılmış ve karşılaştırılmıştır.
Gerinim ölçerlerden elde edilen değerler zaman içinde sabit olmadığından, veri toplama sistemi gerinim ölçer verilerinin ortalamasını 30 saniye üzerinden almıştır. Tutarsızlık muhtemelen 30 kg’ı aşan yükleri uygulamak için kullanılan makara halatlarının yük altında uzamasından kaynaklanmaktadır. Örneğin, aşağıdaki grafik 80’de altı numaralı gerinim ölçerden alınan verileri göstermektedir.
Verileri analiz ettikten sonra, gerinim ölçerlerin çoğu için deneysel olanlara çok benzer değerler sağladıkları için FEM sonuçlarından memnun olunmuştur. Muhtemelen reçine emdirme nedeniyle en önemli farklılıkları daha yüksek gerinim ölçerlerde gözlemlenmiştir. FEM analizleri reçine emdirmeyi hesaba katmayan malzeme verileri kullanılarak gerçekleştirilmiştir çünkü bu tür veriler literatürde mevcut değildir.
Sonuç olarak, gerinim ölçer 1, 2, 3 ve 4’ün bulunduğu daha kalın bölümlerde daha az reçine emdirme vardır ve bu da malzeme verilerini reçinesiz olanlara daha benzer hale getirir.
Buna karşılık, çapraz çubuk üzerinde daha yükseğe yerleştirilen gerinim ölçerler, reçine emdirmenin daha önemli bir etkiye sahip olduğu çok daha küçük kalınlığa (1 cm) sahip bölümlerdedir.
Gerinim ölçer 7, FEM verilerinden en fazla sapma göstermeyen göstergedir. Ne yazık ki, başka bir göstergeyle eşleştirilmemiş tek gösterge olduğundan, hatalı veya yanlış konumlandırılmış olup olmadığından emin olunamamıştır. Sıkıştırma altındaki diğer göstergelerde gerilim altındakilere göre daha önemli bir tutarsızlık gözlemlenmiştir-no. 7 muhtemelen sıkıştırma altında olduğu için FEM verilerinden en uzak olanıdır.
Gerinim ölçer verileri
Deneysel Gerinim Ölçer Verileri
| Strain Gage | 10 kg | 20 kg | 30 kg | 40 kg | 50 kg | 60 kg | 70 kg | 80 kg |
| 1 | 410.88 | 777.14 | 1155.2 | 1355.2 | 1828.8 | 2126.6 | 2560.7 | 2863.6 |
| 2 | 435.98 | 807.44 | 1200.3 | 1405.5 | 1904.9 | 2217.0 | 2675.1 | 2992.4 |
| 3 | -380.47 | -716.53 | -1052.4 | 1232.4 | -1643.5 | -1898.8 | -2257.2 | -2500.5 |
| 4 | -391.29 | -737.84 | -1087.8 | -1280.3 | -1711.3 | -1979.1 | -2359.4 | -2619.8 |
| 5 | 548.61 | 1046.0 | 1561.4 | 1859.6 | 2516.8 | 2925.6 | 3534.3 | 3957.4 |
| 6 | 560.48 | 1068.7 | 1599.5 | 1910.6 | 2599.8 | 3025.8 | 3667.6 | 4116.9 |
| 7 | -629.04 | -1198.1 | -1781.2 | -2164.1 | -2928.8 | -3407.3 | -4115.4 | -4623 |
FEM Gerinim Ölçer Verileri
| Strain Gage | 10 kg | 20 kg | 30 kg | 40 kg | 50 kg | 60 kg | 70 kg | 80 kg |
| 1 | 331.4 | 665.36 | 995.56 | 1332.3 | 1671.5 | 2026.1 | 2356 | 2701.1 |
| 2 | 331.32 | 661.1 | 995.58 | 1332.4 | 1671.6 | 2012.9 | 2322.9 | 2701.4 |
| 3 | -212.5 | -431.01 | -656.15 | -833.37 | -1124.7 | -1367.8 | -1617.1 | -1871.9 |
| 4 | -212.05 | -465.2 | -654.8 | -831.83 | -1209.1 | -1365.2 | -1521.6 | -1868.5 |
| 5 | 306.85 | 627.55 | 971.23 | 1329.1 | 1709.3 | 2102.7 | 2517.2 | 2950.9 |
| 6 | 307.35 | 629.13 | 973.03 | 1330.4 | 1711.9 | 2105.7 | 2520.2 | 2951.7 |
| 7 | -187.47 | -398.97 | -630.22 | -893.64 | -1169.6 | -1482.8 | -1815.2 | -2168 |
Aşağıdaki tabloda, gerinim ölçerlerden toplanan veriler ile FEM verileri arasındaki yüzde farklarını görebilirsiniz.
FEM ve gerinim ölçer verileri arasındaki yüzde farkı
| Strain Gage | 10 kg | 20 kg | 30 kg | 40 kg | 50 kg | 60 kg | 70 kg | 80 kg |
| 1 | 23.983% | 16.8% | 16.034% | 1.7131% | 9.4104% | 4.9613% | 8.6865% | 6.0161% |
| 2 | 28.57% | 22.136% | 20.561% | 5.4839% | 13.951% | 10.137% | 15.161% | 10.77% |
| 3 | 79.043% | 66.243% | 60.386% | 47.88% | 46.128% | 38.83% | 39.585% | 33.581% |
| 4 | 84.526% | 58.606% | 66.135% | 53.918% | 41.534% | 44.972% | 55.058% | 40.204% |
| 5 | 78.788% | 66.68% | 60.765% | 39.915% | 47.245% | 39.132% | 40.409% | 34.107% |
| 6 | 82.36% | 69.876% | 64.383% | 43.611% | 51.866% | 43.695% | 45.527% | 39.478% |
| 7 | 235.54% | 200.29% | 182.63% | 142.17% | 150.42% | 129.79% | 126.72% | 113.24% |
Sonuçlar ve geleceğe yönelik beklentiler
Teknede kompozit malzemeler için yeni çözümler araştırılmıştır. Yeni üretimde karbon fiber yerine Elium termoplastik reçine ile bazalt fiber kullanımı optimize edilmiştir.
Özellikle bazalt lifinden yapılmış bir yelkenli teknenin kritik bir bileşenine odaklanılarak, sayısal bir modelin deneysel ölçümlerle nasıl doğrulanacağı gösterilmiştir. Bu araştırmadan çıkarılan ana sonuçlar ve gelecekteki olası perspektifler şunlardır:
- Sayısal ve deneysel verilerle entegrasyon – Proje, sayısal modelleri gerinim ölçerlerden elde edilen deneysel verilerle başarılı bir şekilde entegre etti. Bu bütünsel yaklaşım, malzeme özelliklerinin ve yapısal davranışın tam olarak anlaşılmasını sağlayarak hasar tespit sürecinin güvenilirliğini artırmaktadır.
- Veri sayfası malzeme özelliklerinin doğrulanması – Kullanılan kompozit üzerinde yapılan testler, malzeme ve davranışı hakkında bilgiler kazanılmıştır.
- Malzeme testi – G modüllerini ve basınç dayanımını elde etmek için başka malzeme testleri de gerçekleştirilebilir.