Otomotiv uygulamaları için kompozit bir şaftın yapısal analizi ve optimizasyonu

Bu tez çalışmasında; Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığının desteğiyle yürütülmüş olan, 529.STZ.2013-2 numaralı SAN-TEZ projesi kapsamında kompozit malzemeden üretilecek olan kompozit bir şaftın tasarımı, bilgisayar destekli analizi ve kompozit şaftın katman sıralaması konusunda bir optimizasyon çalışmasının detayları sunulmuştur. Bu proje onsekiz aylık bir döneme yayılmış olan iş paketleri altında değerlendirilmiş olup bu iş paketleri altında konsept tasarım'dan optimizasyona gerek teorik gerek analiz çalışmaları birbirleriyle kıyaslandırılarak sonuçları paylaşılmıştır. Çalışmamızda öncelikli olarak; belirli geometrik, yapısal ve üretime bağlı detaylara göre güvenlik katsayıları baz alınarak bir konsept tasarım ortaya konulmuştur. Konsept tasarım incelendiğinde mevcut yapı, bir tüp ve iki hooke bağlantı elemanından oluşmaktadır. Hooke mafsalların piyasada çeşitli standartlara göre tasarlanıp üretildiği göz önünde bulundurulduğunda, çalışmada üzerinde durulacak olan husus, kompozit bir tüpün tasarlanmasına indirgeniş olacaktır. Ancak bu durum yeni bir çalışma alt başlığını da beraberinde getirmektedir. Bu başlık ise kompozit tüp ile metal mafsal eleman arasında gerçekleşecek olan bağlantı yöntemidir. Kompozit ve Metal malzemeler arasındaki bağlantı yöntemleri gerek literatür gerek patent gerek ise çeşitli tecrübelerle elde edilmiş yöntemlerin irdelenerek üretilebilirliğe uygun ve gerekli yapısal özellikleri sağlayacak olan çalışmalar vasıtasıyla çeşitlendirilmiştir. Bu anlamda bağlantı metodu olarak bir sıkı geçme, bir de yapıştırma uygulaması üzerinde durulup sonuçlar detaylı olarak incelenmiştir. Kompozit tüp oluşturulurken öncelikle bir ilkel tasarımdan (on katman) yola çıkılarak tüpün statik durumda bir ucundan ankastre diğer ucundan tork uygulamasının yapıldığı koşul altında Tsai-Wu dayanım oranı baz alınarak, güvenlik katsayısı 2 olarak seçilerek gerekli katman sayısı elde edilmiştir. Elde edilen yapının gerek burkulma gerek ise minimum eğilme doğal frekans değerine ulaşabilmesi için, katman sayısı değiştirilmeden, üretime uygun düşük sarım açılı katmanlar ilave edilerek toplamda on beş farklı model ortaya konulmuştur. Sonrasında on beş model sonlu eleman tabanlı analiz programı Abaqus aracılığıyla modellenip analiz edilerek teorik çözümlemeyle ulaşılan değerler ile sonuçlar mukayese edilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, aracında dinamik durumunda yapısal davranışında etkili olacak olan modal analizler yapılmıştır. Modal analiz hesaplamaları serbest-serbest sınır koşulları altında tamamlanmıştır. Modal analiz için verilen teorik sonuçlar ise mevcut yapı için minimum değeri veren formüle dayanmaktadır. Tez çalışmasında ayrıca kompozit tüp katman oryantasyonu ile ilgili olarak bir optimizasyon çalışması yapılmıştır. Optimizasyon çalışmalarında genel olarak amaç; pahalı uygulamaların maliyetini düşürmek, mekanik olarak ergonomik bir yapı elde etmek şeklinde sıralanabilir. Bizim çalışmamızda optimizayson çalışmasında hedef ise üç farklı amaca eş zamanlı olarak hizmet edecek yapının sağlanması ve böylelikle yapının beklenen yapısal davranışı göstermesidir. Yapısal optimizasyonu birçok farklı optimizasyon teorisi ile gerçekleştirmek mümkündür. Ancak yöntemlerden birçoğu istenen global değerleri sağlayamayacak ya da çözüm süresini artıracaktır. Bu tip çalışmalarda literatür araştırmaları ise teorik olarak ilgilenilebilecek başlıkların sayısını ikiye düşürmemizi sağlamaktadır. Bunlar genetik algoritma ve parçacık sürüsü optimizasyon metodlarıdır. Genetik algoritma, biyolojik tabanlı bir yöntemdir ve ilgilenilen amaç fonksiyolarının global optimum değerlere yakınsaması hususunda gerekli yaklaşımları göstermesi açısından mutasyon, crossing over gibi bazı geri besleme sağlayacak özelliklere sahip olması açısından tercih edilmektedir. Ancak, problemimizde ele alınan amaç fonksiyonunun birden fazla ve karmaşık olması sebebiyle çözüm süresini artırmaktadır. Bu sebeple çalışmamızda daha basit ve hızlı çözüm üretecek olan parçacık sürüsü optimizasyon algoritması tercih edilmiştir. Parçacık sürüsü optimizasyonu yöntemi, balık ve kuş sürülerinin beslenme davranışlarının incelenerek sayısal olarak ifade edilmesi üzerine ortaya çıkarılmış olan bir optimizasyon yöntemidir ve herhangi bir problem üzerinde uygulaması yapıldığında her bir parçacık beslenme ihtiyacını giderme amacında olan bir kuş olarak düşünülebilir. Burada ilgili parçacık amaç fonksiyonunun değerini iyileştirme amacında olan yani besine ilerlemekte olan kuş olarak düşünüldüğünde, ilgili parçacığın yön ve hız vektörleri fonsiyon değerini örneğin bir maksimizasyon probleminde her bir iterasyon sonucunda en iyi konumdaki parçacığa göre konum ve hız vektörlerini güncelleyerek en kötü konum ve hıza sahip parçacığın amaç fonksiyonunu iyileştirmek adına katkıda bulunmasını sağlamaktadır. Tez çalışmasında ilgilenin üç amaç fonksiyonu; Tsai-Wu dayanım oranı değeri, minimum eğilme doğal frekansı değeri ve burulma kaynaklı burkulma kritik tork değeri şeklindedir. Bu üç amaç fonksiyonundan eğilme doğal frekans ve burulma kaynaklı burkulma kritik tork değerlerinin hesaplandığı amaç fonksiyonları basit formüller olarak doğrudan ifade edilebilmektedir. Bu formüllerde yapıyla ilgili değişkenler ile mekanik özellikleri ifade eden elastiside değerleri sabit değerler olarak kabul edilmiştir. Bağımsız değişken olarak ise elyaf sarım açısı ve katman dizilimi seçilmiştir. Tsai-Wu dayanım oranı değerinin hesaplaması bir takım çözümlerin art arda yapılmasına dayanmaktadır. Burada birçok bağımsız değişken olarak seçilebilecek nicelik bulunmaktadır. Bu nicelikler gerek tez içeriğinde teorik yaklaşım başlıkları altında verilen formüllerde gerek ise optimizasyon başlığı altında verilen akış diyagramlarında görülebilmektedir. Ancak diğer iki amaç fonsiyonunda olduğu gibi Tsai-Wu dayanım oranı hesap akışında da elyaf sarım açısı ve katman dizilimi bağımsız değişken olarak düşünülerek literatürde yer alan üç farklı katmanlama yapısına göre; simetrik, simetrik-dengeli ve rastgele durumları için 3 farklı kompozit tüp model oluşturulmuş ve sonuçları verilmiştir. Tez çalışmasında son olarak ise, kompozit tüp ve metal mafsal arasındaki bağlantı yöntemi üzerinde durulmuştur. Değinilen iki bağlantı yöntemi; yapıştırma ve sıkı geçme bağlantısı için ayrı iki model oluturularak önce konsept model sonrasında teorik hesaplamalar ve son olarak ise Abaqus ile statik analizler gerçekleştirilerek uygulamaların uygunlukları değerlendirilmiştir.