OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27Mayıs 2014, BURSA
AMFİBİK BİR ZIRHLI ARAÇ USKURUNUN TASARIM
OPTİMİZASYONU
Çağrı İyidiker, Ramazan Kaba, Markos Çağan
Otokar Otomotiv ve Savunma Sanayi A.Ş. Sakarya
ÖZET
Bu çalışmada bir amfibik zırhlı araç projesinde kullanılmak üzere tasarlanan uskur modelinin titreşim analizleri
gerçekleştirilerek titreşim kaynaklı problemler tespit edilmeye çalışılmıştır. İlk önce yapının doğal frekans analizi su ile
etkileşimli olarak gerçekleştirilerek (Coupled) uskurun belli frekansa kadar doğal frekansları elde edilmiştir. Daha sonra
CFD analizi gerçekleştirilerek pervanenin kanat yüzeylerine etki eden toplam basınç kuvvetleri hesaplanmıştır.
Hesaplanan pervane yükünün %10’ u akış düzensizliğinden dolayı değişken olarak etki etmektedir. Bu değişken yükün
çevrimsel olarak etkidiği kabul edilmektedir. CFD analizleri ile elde edilen itme kuvveti ve pervane dönme eksenindeki
momentin %10’ u, LMS VirtualLab’ de kullanılarak frekans cevap analizi gerçekleştirilmiş ve böylece pervane
yatağındaki pervanenin dönme frekansına bağlı deplasman ve dönme değerleri elde edilmiştir. Son olarak, maksimum
cevabın oluştuğu frekansa denk gelen yükleme koşulları modele uygulanarak yapı üzerindeki gerilme değerleri elde
edilmiştir. Analizlerin sonucunda elde edilen kritik gerilmelerin düşürülebilmesi içi tasarım iyileştirmesi yapılmıştır.
Yapılan bu iyileştirme, pervanenin tahrik frekans aralığında bulunan doğal frekansı, çalışma aralığının dışına ötelemeye
yöneliktir. İyileştirmeden sonra aynı analizler yeni model için de tekrarlanmış ve son durumda kritik gerilmeler güvenli
bölgeye çekilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Uskur, titreşim analizi, akış analizi, akuple modal analiz,
ABSTRACT
In the present work, design optimization of the propeller of an amfibic armored vehicle was studied and vibration based
strength problems were tried to be investigated. Firstly fluid – structure coupled modal analysis of the structure was
performed and modal frequencies of structure were obtained up to some frequency. Then, CFD analysis was performed
in order to get the pressure fields on the blades of the propeller. It is assumed that 10% of the propeller loads got from
CFD analysis is alternating due to non-uniform propeller inflow. Therefore, using 10% of the propeller loadings
obtained from CFD analyses, frequency response analysis was performed with LMS VirtualLab. Finally, maximum
displacement and rotation response obtained from the frequency response analysis were applied to the bearing of the
propeller in order to get the stress field for the worst case. After getting the critically stressed regions in the structure,
some enhancements were made in order to decrease the stress level of these hot spots. The enhancements aim to shift
the natural frequency outside the propeller’s excitement frequency. After enhancements the same analyses were
repeated and it is observed that the critical stress values decreased to a safe region
Keywords: Propeller, vibration analysis, CFD analysis, coupled modal analysis
etkileşimini gerektirmektedir. Analiz yazılımlarının
kabiliyetleri arttıkça bu tür analizlerinin sayısı giderek
artmakta, analizler daha fazla “çok disiplinli” hale
gelmektedir.
1. GİRİŞ
Otomotiv uygulamalarında gerçekleştirilen analizler
bazı durumlarda birden fazla analiz türünün birbiri ile
1
Amfibik araçların suda gitmesini sağlayan uskurun
analizi de çok disiplinli olarak incelenmesi gereken bir
analizdir. Uskur temel olarak motor, pervane ve
nozuldan oluşmaktadır. Amfibik araç su içerisinde
giderken uskur tamamen su içinde olduğundan
analizleri uskuru çevreleyen sıvıdan bağımsız
gerçekleştirmek doğru olmayacaktır. Bu nedenle böyle
bir yapının doğal frekans analizi su ile akuple olarak
gerçekleştirilmelidir [1, 2]. LMS VirtualLab gibi sonlu
elemanlar yazılımları sayesinde yapıya ait denklemlerle
akışkana
ait
denklemler
akuple
olarak
çözülebilmektedir [3].
sayısı 4 olduğundan değişken itme kuvvetinin frekansı
40 ile 83 Hz arasında değişmektedir. Bu çalışmada
amaçlanan, yapının mukavemetinin uskura etkiyen bu
yüklemeye dayanabilmesidir.
3. CFD YÜKLERİNİN ELDE EDİLMESİ
Modelleme
Bu bölümde uskurun araca monte halde işlemesi
esnasında üzerine etkiyen yükler hesaplamalı akış
analizleri ile belirlenmektedir. Akış analizleri sonlu
hacimler yöntemine dayalı [5] genel maksatlı Ansys
Fluent 14.5 [6] yazılımı kullanılarak yapılmıştır.
Basınç-hız ilişkilendirilmesinde SIMPLE prosedürü
kullanılmıştır [5]. Aracın sadece suya batan kısmı
modellenerek, akış sadece su fazını içerecek biçimde
sürekli rejimde ve türbülanslı olarak analiz edilmiştir.
Türbülans modeli olarak yüksek Reynolds sayılı
Realize edilebilir k-ε türbülans modeli kullanılmış [7]
ve cidar yakını akış da dengeli olmayan cidar
fonksiyonları [8] ile hesaba katılmıştır. Momentum
denklemleri ikinci mertebeden önden farklar şeması [9]
ile ayrıklaştırılarak çözüm hassasiyeti yükseltilmiştir.
Uskur üzerine etki eden yükler temel olarak pervane
kanat
yüzeylerinde
oluşan
basınç
alanının
bileşenleridir. Bu yüklerin en majör bileşenleri itme
kuvveti ve pervane dönme ekseninde oluşan
momenttir. Bu yüklerin, pervaneye giren akışkanın
düzensizliğinden kaynaklanan maksimum %10
oranında çevrimsel etki eden bir bileşeni vardır [4].
Dolayısı ile uskurun yapısal mukavemetinin analizi
gerçekleştirilirken bu %10’ luk çevrimsel yükleme de
göz önünde bulundurulmalıdır. Pervanede oluşan
çevrimsel yüklemenin frekansı pervanenin dönme
frekansının kanat sayısı ile çarpılması ile hesaplanır.
Eğer uskurun bu frekansla çakışan bir doğal frekansı
mevcutsa, yapının cevabı aniden artabilmekte ve statik
analizle
öngörülemeyen
yapısal
problemler
görülebilmektedir. Titreşimsel açıdan muhtemel
zayıflıkların tespiti için frekans cevap analizi
gerçekleştirilmeli ve zayıflıklar güçlendirilmelidir.
Yapısal açıdan güvenli bir uskur tasarımında
pervanenin tahrik frekans aralığında yapının doğal
frekansının bulunmaması gerekmektedir.
Çözüm Bölgesi ve Sınır Koşulları
Çözüm bölgesi ve sınır tiplerinin görünümü Şekil 1’ de
verilmektedir. Aracın sadece yarısı modellenerek
çözüm maliyeti açısından tasarruf edilmiştir. Ayrıca
simetri düzlemi haricindeki çözüm bölgesini sınırlayan
diğer düzlemler oldukça uzak konumlara yerleştirilerek
bu sınırların araç civarındaki akışı tedirgin etmeleri
engellenmiştir. Çözüm ağı üretilirken araç civarı, uskur
yakın civarı ve geri kalan kısım olmak üzere üç farklı
alt bölge (blok) oluşturulmuştur. Araç civarı bölge ile
uskur yakın civarı bölgeler yapılandırılmamış ağ olarak
üçgen piramit elemanlardan oluşturulmuştur. Geri
kalan kısım ise dörtgen prizmatik elmanlardan ibaret
yapılandırılmış ağ olarak örülmüştür.
Bu çalışmada amfibik bir zırhlı araç projesi için
tasarlanan uskurun ve gövde bağlantılarının titreşim
analizleri gerçekleştirilerek mukavemetsel açıdan
gerekli iyileştirmeler yapılmıştır.
2. PROBLEM TANIMI
Bu çalışmada amfibik araç projesi için tasarlanan uskur
modelinin titreşim analizleri gerçekleştirilmiştir. Uskur
modeli Şekil 4’ de gösterilmiştir. Uskur temel olarak
nozul, pervane ve motordan müteşekkildir. Uskur,
nozul üzerinde yer alan ayaklar vasıtasıyla araç
gövdesine bağlanmaktadır.
Uskur, pervanenin su içerisinde dönmesinden
kaynaklanan itme kuvvetine ve pervanenin dönme
ekseninde momente maruz kalmaktadır. Diğer taraftan,
pervaneye su girişinin düzensiz olmasından kaynaklı
pervane üzerine itme kuvvetinin %10’ u kadar
değişken bir itme kuvveti ve moment etki etmektedir.
Bu değişken yüklemenin frekansı, pervane dönme
frekansı x kanat sayısı formülü ile hesaplanmaktadır
[4]. Uskur motorunun minimum dönme hızı 600 rpm,
maksimum dönme hızı ise 1250 rpm’ dir. Pervane
Şekil 1. Çözüm bölgesi ve sınır tipleri.
Aracın durgun olup, suyun üzerine yollandığı relatif
modelleme yaklaşımı ile aracın seyri temsil edilmştir.
2
Giriş sınırında aracın yüzme hızı su için uygulanırken,
çıkış sınırında ise statik basınç değeri uygulanmıştır.
Su-hava ara yüzeyi (serbest yüzey / su hattı) ile diğer
sınırlar kayma düzlemi olarak modellenmişlerdir.
nedenle uskurun modal analizi içinde bulunduğu su ile
etkileşimli olarak gerçekleştirilmiştir.
Uskurun dönel bir makina olması sebebiyle,
modellenmesi ayrı dikkat gerektirmektedir. Uskur
pallerinin dönüşü donmuş rotor yaklaşımı ile temsil
edilmiştir. Bu bağlamda, uskuru içine alan uskur yakın
civarı dönel alt bölgede akış uskura bağlı hareketli
(relatif) eksen takımında çözümlenmiştir. Araç civarı
ve geri kalan kısım durağan alt bölge olup, akış burada
mutlak eksen takımında çözümlenmiştir. Durağan ve
dönel alt bölge arasındaki etkileşim bu alt bölgeler
arasındaki arayüzler üzerinden olmaktadır.
Doğal frekans ve frekans cevap analizleri için aracın
tamamı modellenmemiştir. Araç, X ekseninde uskur
üzerine etki eden kuvvetlerin etkisinden yeterince uzak
bir yerinden kesilmiştir. Y ekseninde ise araç simetri
ekseninden kesilerek, kesilen yüzey boyunca “Y
Simetrik” sınır koşulu verilmiştir.
Model sınırları ve sınır koşulları:
Uskurun etrafını saran akışkan modeli akustik
elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Analize dâhil
edilen akışkanın boyutları Şekil 3’ de gösterildiği gibi
yeterince geniş alınarak gerçeğe en yakın durum simule
edilmeye çalışılmıştır.
Akış Analizi Sonuçları
Aracın farklı yüzme hızları için farklı uskur devir
sayıları uygulanarak, her bir hal için usurdaki itki
kuvveti hesaplanmıştır.
Şekil 2’ de farklı uskur devir sayılarındaki haller için
uskuru ortasından kesen düşey düzlemdeki hız
büyüklüğü dağılımları verilmektedir. Şekil 2’ de ise
farklı yine aynı düzlemdeki toplam basınç dağılımları
verilmektedir. Uskurun devri arttıkça uskur ardındaki
akış hızının ve toplam basıncın yükseldiği
görülmektedir. Uskurun önü ve ardındaki toplam
basınç farkı itkiye tekabül ettiğinden, uskur devir
sayısının artmasının uskurdaki itki kuvvetinin arttırdığı
gözlenmektedir.
Şekil 3. Yapı ve akışkan modeli
Çözüm ağı modeli:
Analiz modeli hazırlanırken araç gövde sacları kabuk
elemanlarla modellenmiş olup, uskurun parçaları Şekil
4’ de gösterildiği gibi 3D katı elemanlarla
modellenmiştir.
Komponentlerin
bağlanmasında
kullanılan kaynak, cıvata gibi bağlantılarda RBE2 rijit
bağlantı elemanı kullanılmıştır.
Akışkan modeli “HEXA” ve “TETRA” elemanlardan
oluşmakta olup, uskurun girintilerine elemanların
sığabilmesi için uskur çevresinde küçük eleman boyu
kullanılmış, dışlara doğru eleman boyu büyütülmüştür.
Şekil 2. Uskuru ortasından kesen düşey düzlemdeki hız
büyüklüğü dağılımı (Yukarıda 800 rpm, aşağıda 1250
rpm için).
Yapısal model ile kavite modeli daha sonra LMS
VirtualLab yazılımında birleştirilerek yapısal modlar
ile akustik modlar akuple edilmiştir.
4. “COUPLED” MODAL ANALİZ
Akışkan içinde çalışan parçaların modal davranışları
akışkanın doğal frekanslarından da etkilenmektedir. Bu
3
iki bileşeni mevcuttur. Değişken kısmı pervaneye giren
suyun düzensizliğinden kaynaklanmakta olup ortalama
değerin en fazla %10’ u kadar olabilmektedir. Bu
çalışmada güvenli tarafta kalabilmek adına en yüksek
değer olan %10 kullanılmıştır.
Statik olarak düşünüldüğünde ortalama itme kuvvetinin
%10 artıp azalmasının yapı üzerindeki gerilmeleri çok
fazla etkilememesi beklenmektedir. Fakat kuvvetin
değişken kısmı, motor devrine bağlı bir frekansla
çevrimsel olarak etki ettiği için tahrik frekansı ile
yapının doğal frekansının çakıştığı bölgelerde
mukavemet açısından kritik gerilmeler oluşabileceği
öngörülmüştür.
Şekil 4. Uskur sonlu elemanlar modeli.
Frekans cevap analizi iki aşamada gerçekleştirilmiştir.
İlk aşamada, 600 ve 1250 rpm arasındaki motor
devirlerinde etki eden değişken kuvvetler LMS
VirtualLab
kullanılarak
frekans
domaininde
uygulanmış, pervane yatağının X eksenindeki
maksimum deplasman ve dönme miktarları elde
edilmiştir. Bu elde edilen deplasman ve dönme
değerleri yapının sadece kuvvetin değişken bileşenine
olan cevabıdır. Analizin ikinci aşamasında bu değerler
ortalama itme kuvveti ve momenti ile birlikte
RADIOSS sonlu elemanlar çözücü yazılımında
uygulanarak uskurda ve gövde bağlantılarında oluşan
maksimum gerilme kuvvetleri elde edilmiştir.
Analiz sonucu:
Maksimum tahrik frekansı 83 Hz olduğundan modal
analiz sonucunda 200 Hz’ e kadar olan modların
hesaplanması yeterli görülmüştür. Analiz sonucunda
uskuru tahrik eden en belirgin mod 67 Hz’ de ortaya
çıkmıştır. 67 Hz, uskur motorunun tahrik frekans
aralığında olduğundan bu doğal frekansın kritik
olabileceği değerlendirilmiştir. İlgili doğal frekansa ait
mod şekli Şekil 5’ de gösterilmiştir.
Analiz Sonuçları:
Frekans domainindeki değişken itme kuvveti ve
pervane momenti yüklemesi ile LMS VirtualLab’ de
gerçekleştirilen analiz sonucunda pervane yatağındaki
frekansa bağlı X eksenindeki deplasman ve dönme
grafikleri elde edilmiştir (Şekil 6).
Şekil 5. Uskurun 1.doğal frekansı: 67 Hz.
5. FREKANS CEVAP ANALİZİ
Bir önceki bölümde, RADIOSS sonlu elemanlar
çözücü yazılımı ile elde edilen yapısal ve akustik
modlar, LMS VirtualLab ortamında akuple edilerek
yapının etkileşimli modları elde edilmiştir. Daha sonra
elde edilen bu modlar kullanılarak LMS VirtualLab
ortamında yapının motorun çeşitli devirlerindeki CFD
yüklerine olan cevabı pervane yatağındaki deplasman
ve dönme olarak elde edilmiştir.
Şekil 6. LMS VL analizi sonucu elde edilen frekansa
bağlı deplasman grafiği.
Frekans cevap eğrilerine bakıldığında 4. Bölümde
değinilen 67 Hz deki doğal frekansın olduğu bölgede
deplasman değerlerinin birden arttığı görülmektedir.
Statik durumda 0.16mm olan genlik, rezonans anında
0.35mm’ ye kadar çıkmaktadır. Bu durum, rezonans
anındaki gerilmelerin iki kattan fazla artacağını
2. Bölüm’ de de belirtildiği gibi uskur üzerinde iki
farklı majör yükleme mevcuttur. Bunlarda birisi
pervanelerin dönmesi sonucu oluşan itme kuvveti,
diğeri ise pervane kanat açılarının sebep olduğu dönme
eksenindeki momenttir. Her iki yüklemenin de
ortalama (mean) ve değişken (alternating) olmak üzere
4
göstermektedir. Benzer temayül dönme değerlerinde de
görülmektedir.
Statik Gerilme Analizi
Frekans cevap analizinin ikinci aşaması olarak, Şekil 6’
da yer alan grafiklerdeki rezonans değerleri ve
rezonans frekansında tahrik oluşturan motor devrindeki
ortalama yükler kullanılarak RADIOSS’ da statik
analiz gerçekleştirilmiştir. Rezonans frekansındaki
toplam yükleme, çevrimsel ve ortalama bileşeninin
süperpozisyonudur. Yapının modal etkileri LMS
VirtualLab’ deki frekans cevap analizinde hesaba
katıldığı için yapısal analizi Lineer Statik çözdürmenin
bir sakıncası bulunmamaktadır.
Şekil 8. Rezonans frekansını ötelemek için eklenen
parça.
Yapılan analiz sonucu uskuru araç gövdesine bağlayan
ayakların üzerinde bazı kritik gerilme noktaları tespit
edilmiştir. Şekil 7’ de gösterilen gerilme değerleri
malzemenin akma mukavemetine (350 MPa) göre
değerlendirildiğinde güvenli seviyede gibi görünse de
etki eden kuvvetin çevrimsel ve sürekli olduğu göz
önünde bulundurulursa yorulma açısından kritiklik arz
edebileceği değerlendirilmiştir.
Tasarım değişikliğinden sonraki son durum:
Değişiklikten sonra yukarıdaki bölümlerde anlatılan
adımlar tekrarlanarak yeni tasarımda kritik gerilme
bölgelerindeki gerilme değerleri elde edilmiştir. Eski
ve yeni durumda çevrimsel pervane yüklemesi altında
yapıda meydana gelen deplasman miktarları Şekil 9’ da
karşılaştırılmıştır. Grafikte de görüldüğü gibi
pervanenin tahrik frekans aralığında bulunan rezonans,
çalışma aralığının dışına ötelenmiştir.
Şekil 7. Kritik gerilme noktaları.
6. İYİLEŞTİRMELER
Frekans cevap analizi sonrası gerçekleştirilen gerilme
analizinde tespit edilen kritik gerilme bölgelerindeki
gerilme değerlerini düşürebilmek için tasarım
iyileştirilmesi yapılmıştır. 5. Bölümde elde edilen
frekans cevap grafiklerine bakıldığında rezonans
halinde pervane yatağındaki deplasman değerinin
rezonans dışındaki frekanslardaki değere nazaran çok
yüksek olduğu görülmektedir. Dolayısıyla, yapının 67
Hz’ de olan birinci doğal frekansı maksimum tahrik
frekansı olan 83 Hz’ in dışına taşınabilirse, gerilme
değerlerinde dramatik bir düşüş meydana geleceği
öngörülmüştür. Bu doğrultuda Şekil 8’ da gösterilen
parça tasarıma eklenerek uskur kütlesinin gövdeye
bağlandığı ayak sayısı artırılmıştır.
Şekil 9. Değişiklikten önceki ve sonraki durum için X
eksenindeki deplasman karşılaştırması.
Yeni modelin frekans cevap analizi sonucu orta çıkan
maksimum deplasman ve dönme miktarı kullanılarak
yapısal analiz gerçekleştirilmiştir. Yeni durumda Şekil
7’ de gösterilen kritik gerilme değerlerinin tasarım
değişikliğinden sonraki seviyesi Şekil 10’ da
gösterilmiştir.
5
comparison with verification tests”, A-Z Tech
Kullanıcılar Konferansı, İstanbul, Türkiye
Şekil 10. Son durumda yapı üzerindeki maksimum
gerilmeler.
3.
LMS VirtualLab User Manual, 2012
4.
Americal Bureau of Shipping, 2006,
“Guidance notes on ship vibration”, New
York, ABD
5.
Patankar, S.V., 1980, “Numerical Heat
Transfer and Fluid Flow”, Hemisphere
Publishing Corporation, Washington.
6.
Ansys Fluent 14.5, 2012, “Fluent Theory
Guide”, Canonsburg, PA, US
7.
Shih, T.-H, Liou,W.W., Shabbir, A and Zhu,
J, 1995, “A new k-ε eddy-viscosity model for
High Reynolds Number Turbulent Flows –
Model Development and Validation”,
Computers and Fluids, 24, pp. 227-238
8.
Kim, S.-E., and Choudhury, D., 1995, “A
Near Wall Treatment Using Wall Functions
Sensitized to Pressure Gradient, ASME FED”,
Vol. 217 Separated and Complex Flows.
9.
Barth, T. J. and Jespersen, D., 1989, “The
Design and Application of Upwind Schemes
on Unstructured Meshes”, Technical Report
AIAA-89-0366.
7. SONUÇ
Bu çalışmada bir amfibik askeri araç projesi için
tasarlanan
uskurun
titreşim
analizleri
gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen uskurun içinde
bulunduğu su ile etkileşimli modal analizi sonucunda
67 Hz’ de uskuru tahrik eden bir doğal frekansın
olduğu tespit edildi. Daha sonra CFD analizi ile
pervane kanatlarının yüzeyine etki eden toplam itme
kuvveti ve dönme momenti hesaplanmıştır. CFD ile
hesaplanan toplam itme kuvvetinin %10’ unun
çevrimsel olarak etki edeceği ön görülerek
gerçekleştirilen frekans cevap analizi ile pervanedeki
akış düzensizliğinden kaynaklanan değişken itme
kuvveti altında pervane yatağında meydana gelen
deplasman değerleri elde edildi. Frekans cevap analizi
sonucunda rezonans frekansı olan 67 Hz’ de yataktaki
deplasman miktarının birden artış gösterdiği tespit
edildi. Rezonans frekansındaki maksimum deplasman
değerleri daha sonra pervane yatağının merkezine
uygulanarak yapıdaki gerilme değerleri bulunmuştur.
Bu analiz sonucunda uskuru araç gövdesine bağlayan
ayaklarda
yorulma
açısından
riskli
olarak
değerlendirilen gerilmelere rastlandı. Bu yüksek
gerilmelerini düşürebilmek için 67 Hz’ deki doğal
frekans pervanenin tahrik frekans aralığının dışına
ötelemeye yönelik modele takviye bir ayak eklendi. İlk
tasarım için yapılan analiz adımları yeni durum için de
tekrarlanıp son durumdaki gerilmeler elde edilmiştir.
Son durumda yapı genelindeki gerilme değerleri 10 kat
küçülerek kritik bölgeden uzaklaşmıştır.
KAYNAKLAR
1.
Kaydıhan, L., 2009, “A tree dimensional
hydro-elasticity analysis for investigation the
dynamic characteristics of ships”, Doktora
Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul.
2.
Kaydıhan, L., 2013, “Hdro-Elastic vibration
analysis of an asphalt tanker ship &
6
Download

amfibik bir zırhlı araç uskurunun tasarım optimizasyonu