3 boyutlu yapısal analizlerde minimum model büyüklüğünün belirlenmesi

Abstract

Yapılan tez çalışmasında üç boyutlu sonlu elemanlar modellerinin büyüklüğünü belirlemek için farklı parametreler incelendi. Sonlu elemanlar modelleri havacılık, otomotiv, beyaz eşya vb. pek çok sektörde düşük çevrimli ve yüksek çevrimli yorulma ömrü hesaplamaları, yapının rijitliği, yapının dinamik yüklere dayanım hesaplamaları gibi farklı konularda kullanılmaktadır. Bu çalışma yapılırken havacılıkta ulaşım amacıyla, şehirlerde anlık elektrik ihtiyacı artışı durumunda elektrik üretimini sağlamak amacıyla ya da akaryakıt firmalarında yer altından akaryakıt çıkarmak amacıyla kullanılan gaz türbinleri baz alınmıştır. Gaz türbinlerinin modülleri açıklanmıştır ve bu modüllerden yanma odası ile türbin arasında bulunan türbin orta karkas yapı, gerçekleştirilecek analizler için seçilmiştir. Türbin orta karkas yapıyı analiz etmek için kurulan sonlu elemanlar modelleri herhangi bir bilgisayarın kabul edilebilir zaman dilimlerinde çözebileceğinden çok daha büyük modeller olabilmektedir. Bu süre modelin büyüklüğüne ve amacına göre haftalar ya da aylar olabilmektedir. Bu yüzden model büyüklüğünün belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Model büyüklüğünde yapılacak %10 ya da %15 gibi bir azaltma, bu analiz süreleri göz önünde bulundurulduğunda çok büyük katkı sağlamaktadır. Yapılan literatür taramasında, sonlu elemanlar modellerinin minimum model büyüklüğünü belirlemek için oluşturulan formüller temel olarak ince cidarlı basınçlı kap hesaplamalarına dayanmaktadır. Bu formüller √(yarıçap∗kalınlık) değerinin farklı doğrusal katları olarak verilmiştir. Bu çalışmada türbin orta karkas yapının rotor kaynaklı dengesizlik yüklerine dayanımını hesaplamak için oluşturulan sonlu elemanlar modellerinin eksenel büyüklüğünü etkileyen kalınlık, yarıçap ve uygulanan yük faktörleri incelenmiş ve bu faktörleri göz önünde bulundurarak model büyüklüğü hesaplaması için formüller oluşturulmuştur. Farklı yükleme çeşitleri ve büyüklüklerine göre ilgili sonucun, model büyüklüğüne karar verildiği aşamada kullanılması planlanmaktadır. Malzeme seçimi yapılırken, oluşturulan karkas yapı modelinin sadece mahfaza kısmı doğrusal malzeme tanımıyla kullanılmıştır. Bu sonuçlardan elde edilen minimum model uzunluğu değerlerine göre malzeme seçimi yapılmıştır. Karkas yapının sonlu elemanlar modeli oluşturulurken yapının rijitliğini doğru olarak yansıtacak miktarda eleman kullanılmıştır. Mahfaza, karkas yapı ve bağlantı elemanları arasında temas yüzeyleri tanımlanırken 0.3 sürtünme katsayılı standart kontak kullanılmıştır. Karkas yapının tekrar eden kısmı modellenerek periyodik sınır koşullarıyla model oluşturulmuştur. Karkas yapının iç kısmına rotor dengesizliği kaynaklı radyal ve eksenel yükler, mahfazanın arka ucuna gaz yüklerini simüle eden eksenel yük uygulanmıştır. Sonuçlardan her bir kalınlık-yarıçap ikilisi için minimum model büyüklüğü belirlenirken, mahfazadan, her adımda bir eleman sırası silinmiştir ve nominal gerilme değeriyle aradaki fark %1'i geçtiği uzunluk minimum model uzunluğu olarak tanımlanmıştır. Yüzey tepki metodu kullanılarak, minimum model uzunluğu değerlerinin kalınlık ve yarıçapa bağlı değişimi yüzeyler üzerinde gösterilmiştir. Ayrıca literatürdeki çalışmalar ile kıyaslama yapabilmek için √(yarıçap∗kalınlık) birleşik parametresine göre nasıl değiştiği de incelenmiştir. Karkas yapının iç kısmına ve mahfazanın arka ucuna uygulanan yük büyüklükleri değiştirilerek, farklı yük büyüklüklerinin, minimum model uzunluğunu nasıl etkilediği incelenmiştir. Elde edilen sonuçlarda sadece mahfazayı içeren doğrusal modelin, minimum model büyüklüğü açısından bir üst limit tanımladığı görülmüştür. Farklı büyüklüklerde yük uygulandığında, minimum model büyüklüğünün kalınlık-yarıçap parametrelerine göre farklı yollar izlediği sonucuna ulaşılmıştır. Bu çalışmada uygulanan yüklerden yakın olanı seçilip ilgili kalınlık ve yarıçaptaki minimum model uzunluğunun hesaplanması sonucuna ulaşılmıştır. Hassasiyet değeri olarak %1'e ek olarak, başlangıç seviye tasarım çalışmalarını göz önünde bulundurmak için %5 ve %10 değerleri de aynı şekilde incelenmiştir ve elde edilen minimum model uzunluğu sonuçları paylaşılmıştır.