Ansys Mechanical ile İleri Düzey Non-Lineer Yapısal Analiz: Teoriden Uygulamaya

1. Giriş: Doğrusal Varsayımların Sınırları ve Non-Lineer İhtiyaç

Yapısal analizde doğrusal varsayımlar genellikle ilk çözüm yaklaşımı olarak kullanılır. Ancak birçok mühendislik uygulamasında bu varsayımlar, gerçek fiziksel davranışı yansıtmaz. Yapılarda aşağıdaki gibi doğrusal olmayan etkiler gözlemlenebilir:

• Malzeme non-lineerliği (akma sonrası plastik deformasyon)
• Geometrik non-lineerlik (büyük yer değiştirme, döndürme)
• Kontak non-lineerliği (temas, sürtünme, ayrılma)

Bu tür etkiler göz ardı edildiğinde, analiz sonuçları yanıltıcı olabilir. Kritik tasarımlar için bu etkileşimlerin doğru modellenmesi, ürün güvenliği ve maliyet etkinliği açısından kritiktir.

2. Malzeme Non-Lineerliği: Gerçekçi Malzeme Davranışını Modelleme

Ansys Mechanical, çeşitli plastikleşme ve hasar modellerini destekler. En yaygın kullanılanlardan bazıları:

🔹 Bilinear Isotropic Hardening

• Elastik bölge sonrası, sabit eğimli bir plastik bölge tanımlar.
• Genellikle düşük karmaşıklıktaki çelik yapılar için kullanılır.

🔹 Multilinear Kinematic Hardening

• Yük-boşaltma döngülerinde malzemenin yönlü sertleşmesini (Bauschinger etkisi) dikkate alır.
• Yorulma ve çevrimsel yüklemeler için uygundur.

🔹 Johnson-Cook Modeli

• Gerinim oranı ve sıcaklık etkilerini içerir.
• Darbe, çarpışma, balistik analizlerde sıklıkla tercih edilir.

Bu modellerin doğruluğu, gerçek malzeme test verileriyle kalibrasyon yapıldığında maksimum seviyeye ulaşır.

3. Geometrik Non-Lineerlik: Büyük Deformasyonların Etkisi

Geometrik non-lineerlik, bir yapı yükleme sırasında büyük oranda şekil değiştirdiğinde devreye girer. Örneğin:

• İnce cidarlı yapılar
• Boruların burkulması
• Elastomer malzemelerin büyük gerilmeler altındaki davranışı

Bu etkiyi aktif hale getirmek için Ansys’te “Large Deflection” opsiyonu seçilmelidir. Bu özellik, rijitlik matrisinin her iterasyonda güncellenmesini sağlar.

4. Kontak Non-Lineerliği: Temas Alanlarında Gerçek Davranış

Kontak modelleme, doğrusal modellerde genellikle ihmal edilir. Ancak gerçekte, yapılar birbirine baskı yapar, sürtünür, ayrılır. Ansys Mechanical, aşağıdaki kontak türlerini destekler:

• Frictionless: Sürtünmesiz temas
• Frictional: Coulomb sürtünmesi ile kayma modeli
• Rough: Hiçbir şekilde kaymaya izin vermez (tam bağlanma)

⚙️ Formülasyonlar:

• Penalty: Hesaplama açısından hızlı, fakat sertliği tahmine dayalı
• Augmented Lagrange: Daha kararlı, iteratif düzeltme içerir
• Pure Lagrange: En kararlı ama çözüm süresi yüksek

Uygun kontak sertliği ve adaptif zaman adımı kullanımı, çözüm stabilitesi için önemlidir.

5. Vaka Analizi: Yüksek Basınç Altında Çelik Basınç Kabı

📌 Problem:

• Geometri: 500 mm uzunlukta, 10 mm et kalınlığında kapalı uçlu silindirik kap
• Malzeme: S355 çelik (σ_y = 355 MPa)
• Yükleme: 150 bar iç basınç

🔍 Modelleme:

• Malzeme modeli: Bilinear elastoplastik
• Mesh: 100k eleman sayısı, yüksek gerilim bölgelerinde sıklaştırılmış
• Large Deflection: Aktif
• Zaman adımı: 0.01 - 0.2 arası adaptif

📊 Sonuçlar:

• Maksimum eşdeğer gerilme: 412 MPa
• Plastik deformasyon yoğunluğu: Alt yarıçap bölgesinde
• Plastik enerji oranı: Toplam enerjinin %12’si
• Güvenlik katsayısı: ≈ 0.85 (kritik)

Bu örnek, doğrusal analiz ile doğru öngörülemeyecek bir senaryodur. Non-lineer yaklaşım ile gerçek davranış modellenmiştir.

6. Çözüm Stratejileri: Stabilite ve Konverjans için Teknikler

Profesyonel kullanıcılar için aşağıdaki çözüm ipuçları önerilir:

• Zaman adımı küçük başlamalı, adaptif algoritmalarla ilerletilmeli
• Kontak bölgelerinde çözüm sertliği kontrol edilmeli
• Konverjans kriterleri enerji ve kuvvet oranları üzerinden izlenmeli
• Sabit rijitlik çözümü yerine "full Newton" tercih edilmeli

İlk çözüm denemelerinde lineer çözüm alınabilir ancak asıl karar non-lineer çözüm ile verilmelidir.

7. Parametrik ve Optimizasyonlu Yaklaşımlar

Ansys Workbench ortamında, non-lineer analizler parametrik hale getirilerek optimizasyon yapılabilir. Örneğin:

• Et kalınlığı varyasyonu
• Malzeme alternatifi değerlendirmesi
• Ağırlık/güç oranı optimizasyonu

Ansys DesignXplorer ile bu varyasyonların çıktılarını karşılaştırmak mümkündür.

8. Sonuç ve Profesyonel Tavsiyeler

• Non-lineer analiz, gerçek mühendislik senaryoları için kritik öneme sahiptir.
• Malzeme test verileri kullanılmadan yapılan modeller ciddi hatalara yol açabilir.
• Ansys Mechanical, bu süreci hem sezgisel hem de derin teknik kontrol ile sunar.
• Non-lineer modelleme deneyim gerektirir. Çözüm yönteminin ve davranışının yorumlanması sadece rakamsal değil, fiziksel anlayış da gerektirir.

🎯 Fetech Mühendislik ile Çözüm Ortağınız Olalım

Fetech Mühendislik olarak; yüksek doğrulukta, üretime yönelik, güvenilir non-lineer yapısal analizler sunuyoruz. Ürün geliştirme, test öncesi tasarım validasyonu, optimizasyon ve ileri analiz konularında profesyonel destek sağlıyoruz.

📩 Detaylı bilgi ve danışmanlık için bizimle iletişime geçin.