Farklı elastik malzemeden üretilen hava hortumlarının ısıl genleşme analizi

Bu çalışma; farklı hammaddeye sahip kauçuk türlerinden üretilen, aynı geometrik şekle ve boyutlara sahip, dört farklı hortumun ısıl genleşme analizini (termal analizini) incelemek amacıyla yazılmıştır. Termal analizler, katı-akışkan etkileşimli (FSI) analizlerdir. FloEFD programında, CFD analizi aracılığı ile hortum geometrisinin basınç değeri ve dağılımı tespit edilmiştir. Bu basınç dağılımı, Ansys programına aktarılarak, basınç kuvvetlerinin hortum üzerinde yarattıkları deformasyon incelenmiştir. Hortumlar EPDM, ECO, AEM ve NBR/CSM kauçuk hamurlarından üretilmiştir. İmalat ve çap genişleme test süreci Bursa Demirtaş Organize Sanayi Bölgesinde faaliyet gösteren Elatek Kauçuk Sanayi Ticaret AŞ'de gerçekleştirilmiştir. Kauçuk hamuru üretimi firma bünyesinde yer alan karışım laboratuvarında, kauçuk hamurları ilgili şartnamelere göre hazırlanmaktadır. Üretilen hamur gerekli malzeme testlerine tabi tutularak, şartname referans değerlerine uygunluğu onaylandıktan sonra, sırasıyla, ekstrüzyon işlemi ve vulkanizasyon işlemine tabi tutulmaktadır. Üretilen hortumlar firma bünyesinde yer alan performans testi laboratuvarında, özel üretilmiş bir cihaz yardımıyla çap genişleme testine tabi tutulmaktadır. Test, 100°C ve 140°C olmak üzere iki farklı sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Cihaz kabinine bağlanan hortumların içerisinden bu iki sıcaklıkta, test şartnamelerinde belirtilen basınç değerlerinde sıvı geçirilmiştir. Test sonucunda, ilk ve son çap arasındaki fark ifade edilmiştir. Bu işlem dört farklı kauçuk türü için, iki farklı sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın analiz kısmı iki bölümden oluşmaktadır: FloEFD programında yapılan CFD analizi ve Ansys programında yapılan FEA analizi. Hortum geometrisi, FloEFD programına aktarılarak uygun sınır koşulları belirtilir. Geometri için optimum mesh yapısı oluşturularak analiz başlatılır. Çıkan sonuçlar; test sonucunda elde edilen basınç kaybı ile karşılaştırılarak oluşturulan modelin doğruluğu teyit edilmiş olur. Ayrıca, bu sonuçlar, FEA analizi için girdi niteliğinde olmaktadır. Ansys programında malzeme bilgilerini doğru aktarabilmek amacıyla kauçuğun elastisite değerlerinin bilinmesi gerekmektedir. Ancak, kauçuklar standart malzemeler değildir. Bu sebeple, kauçuğun malzeme özelliklerini saptamak amacıyla çekme testi yapılmıştır. Dört farklı kauçuk türünden üretilen hortumların üzerinden çekme numunesi kesilmiştir. BTÜ Makine Mühendisliği Laboratuvarında yer alan çekme testi cihaz ile test edilen hortumlara ait stress-strain grafikleri elde edilmiştir. Bu grafiklerden elde edilen elastisite modülü ile malzemenin mekanik özelikleri Ansys programına başarı ile aktarılmıştır. Analiz sonucuna göre tüm hortum türlerinde ortalama 1 mm ile 2 mm arasında genişleme mevcuttur. 100°C'de yapılan çap genişleme test sonucu ve analiz sonucu karşılaştırıldığında elde edilen sonuçların birbiri ile uyumlu olduğu görülmektedir. Tahmin edildiği üzere 140°C'de çap genişleme testinden elde edilen genleşme miktarı 100°C'de elde edilen sonuçlara göre daha fazladır. Bu durum: "Sıcaklık ile genleşme miktarı arasındaki ilişki doğrusaldır." teorisini kanıtlamaktadır. Ancak 140°C'de yapılan CFD analiz sonuçları ile 100°C'de elde edilen sonuçlar hemen hemen aynı değerlerdedir. Bu nedenle, 140°C'de yapılan çap genişleme test sonucu ve analiz sonucu karşılaştırıldığında elde edilen fark, 100°C'de elde edilen farka göre daha fazla olduğu görülmektedir. Kauçuk hortumların dayanabildiği maksimum sıcaklık 150-180°C'dir.Ancak yapılan çalışma göstermiştir ki, bu değerlerden düşük sıcaklıklarda da kauçuğun yapısında bir miktar deformasyon görülmektedir. Bu nedenle, kauçuk hortumların analizlerde katı cisimmiş gibi modellenmesi, analiz sonuçlarının ve buna bağlı olarak sistemin çalışma koşullarının yanlış yorumlanmasına sebep olmaktadır. En iyi yorumlamayı yapabilmek ve kauçuk hortumların kullanıldığı sistemlerde en iyi performansı elde edebilmek amacıyla deforme olmuş hortuma göre analiz gerçekleştirmek bizi en kötü duruma hazırlayacaktır.