Doğrusal olmayan simülasyonlar

Simülasyon çalışmalarının yapılacağı ve halihazırda kullanılan uygun bir kalıp modeli belirlenmiş ve bu kalıbın katı modeli CAD ortamında simülasyon çalışmalarına hazır hale getirilmiştir. CAD modelinin analiz yazılımına transferi gerçekleştirilmiş ve ağ yapısı oluşturulmuştur. En uygun eleman sayısının belirlenmesi amacıyla eleman yakınsama çalışması yapılmış ve optimum eleman büyüklüğü 20 mm olarak belirlenmiştir.

Başlangıç analiz çalışmalarında iki boyutlu modeller oluşturulup, derin çekme işlemi esnasında sac parçanın kalıp yüzeylerine temas durumları incelenerek kalıplarda oluşan deformasyonlar sonucu temas oluşmayan bölgeler belirlenmiştir (Şekil 4.17).

Şekil 4.17. Temas analizleri gerçekleştirilen iki boyutlu (2D) kalıp modelleri

172

Üç boyutlu analizlere geçmeden önce pres yapısı ve elemanları incelenerek derin çekme işlemi sürecinde presin çalışma şekli ve kalıp yük durumları araştırılmıştır. Pres tablası ve matris konumlamaları göz önünde tutularak temas sınır şartları dikkate alınmıştır (Şekil 4.18).

Şekil 4.18. Analizleri gerçekleştirilen üç boyutlu (3D) kalıp modelleri

Sonlu eleman analizinin kullanıldığı simülasyon çalışmalarında, modelin simülasyon için hazırlanması, elemanlara bölünmesi ve sınır şartlarının verilmesi önem arz etmektedir. Sonlu eleman analizinde simülasyon sürecinin yakınsaması, hataların en aza indirgenmesi için ön işleme aşamasında farklı eleman ve bölgesel elemanlara ayırma çalışmalarının çeşitli denemeler yapılarak incelenmesi gerekmektedir. Bu nedenle farklı eleman boyutları için elde edilen sonuçlara bakılarak eleman boyutunun ne oranda etkili olduğu belirlenmiştir (Şekil 4.19). Böylece hatalı veya çok uzun zaman alabilecek simülasyonlardan kaçınılmıştır.

173

Şekil 4.19. Optimum eleman boyutundaki kalıp modeli (Toplam eleman sayısı:

3 300 870, toplam düğüm noktası sayısı: 684 917, toplam serbestlik derecesi:

2 054 751)

Kalıbın simülasyon çalışmalarına hazırlanması, model tanımlamadan sonra gelen aşamadır. Ön işleme süreci, analiz sonuçları üzerinde önemli etkisi olan eleman oluşturma işlemlerini içermektedir. Eleman serbestlik derecesinin, eleman tipinin ve boyutunun belirlenmesi bu sürecin en önemli iki parametresidir. Modelde mevcut hataların sebep olacağı olumsuzluklar ve eleman bozunumlarının önlenmesi çalışmaları bu aşamada yapılmıştır. Modelde karmaşık yüzeylerin bulunmasından dolayı eleman tipi olarak 4 düğüm noktasına sahip “tetrahedral” (dörtyüzlü) eleman seçilmiştir.

Optimum eleman sayısının belirlenmesi amacıyla “eleman yakınsaması” çalışması yapılmıştır. Global eleman boyutu olarak 20 mm alınması durumunda optimum eleman boyutuna ulaşılmış, daha küçük boyutlarda sonucun çok fazla değişmediği gözlenmiştir (Şekil 4.20).

Şekil 4.20. Eleman yakınsama çalışması

174

Simülasyon çalışmaları öncesi önemli bir adım da sınır şartlarının ve yüklerin tanımlanmasıdır. Sonuçlar üzerinde son derece etkisi olan tanımlamaları içeren bu aşama iki alt aşama olarak ele alınmıştır: 1. serbestlik dereceleri kısıtlamaları ve 2.

yüklerin sisteme uygulanması. Sistemin gerçek ortam işlevsel tanımlamalarının yapılmaması durumunda simülasyon sonuçlarının hata oranı artmaktadır. Ayrıca sınır şartları ve yük durumlarının sistemin gerçek ortam işlevselliğini tam yansıtamaması durumunun kötü sonuçlar doğuracağından dolayı sistem tanımı üzerinde gerekli çalışmalar yapılarak gerçek ortam işlevselliği belirlenerek sınır şartları kalıp elemanlarına uygulanmıştır. Sınır şartları olarak pres tablasının alt yüzeyleri sabitlenmiş, temas yüzeylerine yayılı yük iki aşamada uygulanmıştır. Birinci aşamada pot çemberi kuvveti (Şekil 4.21a), ikinci aşamada erkek kalıbın uyguladığı kuvvet etki ettirilmiştir (Şekil 4.21b).

Şekil 4.21. Dişi kalıp yüzeylerine etki eden kuvvetler; a) Pot çemberi, b) Erkek kalıp Çözümleyici olarak ABAQUS yazılımı (Simulia 2008) kullanılmıştır. Çözümleme süresi kullanılan simülasyon tanımlamaları, kullanılan çözümleyici ve donanım özelliklerine göre farklılıklar gösterebilmektedir. Özellikle bu çalışmada uygulanan önişleme süreçte önemli rol oynamaktadır.

3 boyutlu simülasyon çalışmalarında yer değiştirme haritasının çıkarılması hedeflenmiştir. Ayrıca pot çemberinin etkisi de dikkate alınmıştır. Dişi kalıbın ve alt tablanın üç boyutlu modelleri üzerinde özellikle durulmuştur. Sonlu elemanlar analizleri ile kalıp parçaları arasında temas tanımlamaları yapılmış, doğrusal olmayan modeller çözülerek kalıp yer değiştirme değerleri hesaplanarak maksimum yer değiştirme bölgesi bulunmuştur. Çözümleme süresi kullanılan simülasyon tanımlamaları, kullanılan

175

çözümleyici ve donanım özelliklerine göre farklılıklar gösterebilmektedir. Özellikle bu çalışmada uygulanan ön-işleme ve çözümleyici özellikleri süreçte önemli rol oynamıştır.

4.2.3. Fiziksel testler

Literatürdeki mevcut test çalışmaları incelenmiş ve mevcut yöntemlerden uzama-ölçerler ve/veya ivmeuzama-ölçerler ile veri toplanmasının uygun olacağına karar verilmiştir.

Yer değiştirme değerlerinin ölçümü için kullanılan test yöntemi belirlendikten sonra gerekli donanım tedarik edilmiş ve 16 kanallı bir veri toplama ünitesi ile ölçümler gerçekleştirilmiştir. Test işleminde ilk önce hangi bölgelerden veri toplanacağına karar verilmiştir. Bunun için simülasyonu gerçekleştirilen kalıbın maksimum gerilme ve maksimum yer değiştirme bölgeleri belirlenmiş ve kalıbın ilgili yerlerine ivmeölçerler ve uzama-ölçerler monte edilmiştir (Şekil 4.22).

Şekil 4.22. İvmeölçerlerin kalıp üzerine montaj işlemi ve konumları

Kablolama donanımının testler sırasında problem oluşturmaması için gerekli önlemler alınmış ve belirlenen noktalardan test ölçümleri yapılmıştır. Belirli bir yakınsama değerine ulaşana kadar test işlemlerine devam edilmiştir ve bu veriler daha sonra yer değiştirme ve gerilme değerlerine dönüştürülmüştür (Şekil 4.23).

176

Şekil 4.23. Test ekipmanı 4.2.4. Simülasyonların fiziksel testler ile doğrulanması

Sonlu elemanlar analiz yöntemi kullanılarak kalıp yer değiştirme değerleri hesaplanmıştır. Yer değiştirme ve gerilme dağılımlarının simülasyondaki kalıp modeli üzerinde gösterimi Şekil 4.24`te verilmiştir.

Şekil 4.24. Kalıp üzerindeki maksimum yer değiştirme ve gerilme değerleri (Simulia 2008)

Simülasyon çalışmalarının doğrulaması için testler yapılmış, dişi kalıp (matris) üzerinde oluşan yer değiştirme değerleri ile testlerden elde edilen yer değiştirme değerleri karşılaştırılmıştır. Oluşturulan işlem adımları ve uygulanan tekniklerin kalıp tasarım sürecinde kullanımının uygunluğunun doğrulanması için test sonuçları ile simülasyon sonuçları karşılaştırılarak doğruluk oranları hesaplanmıştır. Fiziksel testler yapılmış, test çıktılarının simülasyon sonuçları ile korelasyonu incelenmiş ve yöntemin uygulama güvenilirliği değerlendirilmiştir. Elde edilen korelasyon değerleri yaklaşımın

177

uygulanabileceğini göstermiştir. Simülasyon sonucunda hesaplanan maksimum yer değiştirme değerine karşılık test sonucunda elde edilen değer arasında %1`lik bir sapma mevcuttur.

Bu aşamada topoloji modeli temel alınarak imalat durumu ve maliyet faktörleri de düşünülerek farklı kalıp yapıları oluşturulmuştur. Alternatif tasarımlar incelendiğinde elde edilen kazanımın kütle değişimi olarak oldukça önemli olduğu görülmüştür.

Maksimum yer değiştirme değeri baz alınarak istenen kütle değişim oranını veren model uygulamaya alınabilir. A3 veya A4 modellerinden birisi tercih edilebilir (Çizelge 4.7). Bu aşamada üretim maliyetleri ve özellikle müsaade edilebilir maksimum yer değiştirme değerleri model seçimi açısından en önemli parametrelerdir. Kalıp model seçimi bu parametrelerin önem derecesine göre alternatif yapılar arasından belirlenebilir (Çizelge 4.7).

Çizelge 4.7. Önerilen alternatif yapılar ve maksimum yer değiştirme değerleri

Modeller Sapma (%) Mevcut

model 100

A1 87

A2 84

A3 83

A4 86

Elde edilen korelasyon değerleri yaklaşımın uygulanabileceğini göstermiştir, uygulanan yöntemin doğrulaması açısından oldukça iyi değerlerdir. Dört alternatif yapının denendiği çalışmada üçüncü alternatif (A3) veya dördüncü alternatif (A4) tercih edilebilir.

178

4.2.5. Kalıp tasarım optimizasyon probleminin oluşturulması, çözülmesi ve sonuçları

Topoloji optimizasyonu istenen özelliklerde ürün tasarımında tasarım sürecinin ilk aşaması olan konsept model belirlemede kullanılan bir yöntemdir. Topoloji tasarımı ürün için tanımlanan tasarım uzayında tasarımcıya ürün modelinin optimum yapısını oluşturmada yardımcı olmaktadır. Malzeme dağılımını temel alan bu yöntemde tasarımcı, tasarım uzayını ve kısıtlarını belirlemektedir. Belirlenen hedef parametreleri (minimum hacim ve maksimum rijitlik) doğrultusunda seçilen araç bileşenini basacak kalıbın başlangıç modelini oluşturmak üzere topoloji optimizasyonu çalışmaları yapılmıştır. Topoloji optimizasyonu ile tasarım işlemlerinin şematik gösterimi örnek bir parça için Şekil 4.25`te verilmiştir.

Şekil 4.25. Topoloji optimizasyonunun ilerleme aşamaları (Topologica 2011) Topoloji optimizasyonunun temel mantığı; dış sınırları belirlenen başlangıç tasarımında, verilen hacim azalmasını sağlayacak en rijit veya doğal frekansı en yüksek olan yapının oluşturulmasıdır. Şekil 4.25`te verilen örnekte, dış sınırları belirlenen başlangıç modelinde belli bir hacim azalmasını sağlayacak şekilde en rijit ve en az hacme sahip malzeme dağılımı topoloji optimizasyonu ile elde edilmiştir.

179

Topoloji optimizasyonu için gerekli veriler şunlardır (Karen ve ark. 2009):

 Tasarım dış sınırları,

 Optimize edilecek ve edilmeyecek bölgeler,

 % olarak boşaltılacak hacim değeri,

 Yer değiştirme kısıtları.

Topoloji optimizasyonu sonucunda elde edilen bilgiler ise şu şekildedir:

 Boşaltılacak ve kalan kısımlar,

 Gerilme, yer değiştirme veya doğal frekans değerleri.

Topoloji tasarımı ile ürünün optimum yapısal modeli belirlenmektedir. Klasik yöntemlerden farkı tasarımcı ürün modelini optimum yapıda tanımlayabilmektedir.

Böylece optimum bir konsept ile çalışmaya başlamaktadır. Aksi takdirde klasik yaklaşımda olduğu gibi optimum olmayan bir yapı ile ürün tasarlanabilmekte ve sonradan yapılan optimizasyon çalışmaları yeterli anlamda optimizasyon açısından etkin olmayabilmektedir. Bu çalışmada topoloji tasarım sürecinde izlenen işlem adımları şu şekildedir (Karen ve ark. 2009):

ADIM 1: Tasarım uzayının belirlenmesi: Bu adımda işlevsellik göz önünde tutularak sistemde model için tasarım çalışma uzayı ve kısıtlanan tasarım uzayı tanımları yapılarak kalıbın iç bölgesinde oluşan bir tasarım uzayı belirlenmiştir (Şekil 4.26).

Şekil 4.26. Tasarım uzayı