Viskoelastik bir pompa basma borusunun lineer olmayan sonlu elemanlar analizi ile optimizasyonu
Design optimization of viscoelastic discharge pump pipe with nonlinear finite element analysis
Yazar: SEREN YÜNLÜ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHARREM ERDEM BOĞOÇLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Pompa veya diğer kaynaklardan iletilen boru hatlarındaki basınç dalgalanmalarının titreşim ve gürültü kaynağı olduğu bilinmektedir. Basınç dalgalanması, boru sistemi bileşenleri titreşimlerinin nedenidir. Basınç dalgalanmasının ilettiği titreşim genliği dışında, motor ve pompanın devrinden kaynaklanan ve pompanın kanat geçiş frekansından iletilen titreşim de boru hatları ile sistemin diğer elemanlarına iletilebilmektedir. Bu nedenle titreşim iletimi patikasında olan borular için titreşim ve gürültüyü minimize edebilecek tasarım aşamasında uygun adımlar atılmalıdır.
Titreşim iletiminde malzemenin sönüm oranı önemli bir parametredir. Sönüm oranı yüksek olan kauçuk esaslı viskoelastik malzemeler, titreşim genliğini sönümleyebilmek adına hidrolik sistemlerde, boru tasarımlarında kullanılmaktadır. Endüstride viskoelastik malzemeleri bilgisayar ortamında simule edebilmek zor olduğu için genelde deneysel olarak tasarım optimizasyonuna gidilmektedir. Bu durum ise maliyet miktarını arttırmaktadır.
Gerçekleştirilen bu tez kapsamında, boru titreşimleri ile ilgili literatür araştırmaları yapılarak viskoelastik pompa basma borusunun mekanik özellikleri deneysel ortamda elde edilmiş ve uygun hiperelastik malzeme modeli ile nonlineer sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir.
Çalışmada viskoelastik malzemenin mekanik özellikleri DMA testlerinden frekansa (0.1Hz-100Hz) ve sıcaklığa (35°C-80°C) bağlı olarak elde edilmiştir. Malzemenin depolama ve kayıp modülüne bağlı olarak Neo-Hookean hiperelastik malzeme modeli kullanılmıştır. Malzeme eğrisi MSC Marc yazılımı içinde deneysel verilere göre oluşturulmuştur. Eğriden elde edilen malzeme katsayıları ve pompa üzerinden alınan FFT ölçümleri ile lineer olmayan sonlu elemanlar paket programı MSC Marc yazılımına girdi sağlanmıştır. Yazılımdan alınan sonuçlar ile borunun sisteme bağlandığı noktadan alınantitreşim ölçümleri karşılaştırılmıştır. Model ve deney karşılaştırmasından sonra geometriye bağlı değişen parametrelerden oluşan deney tasarımı ile lineer olmayan sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizlerden elde edilen verilere göre titreşimi minimize eden tasarım optimizasyonuna gidilmiştir. Optimizasyonu sağlanan borunun bulaşık makinesinde ses gücü düzeyine etkisi deneysel olarak incelenmiştir.

Abstract:
Pressure fluctuations in pipelines transmitted from pumps or other sources are known to be sources of vibration and noise. Pressure fluctuation is the cause of vibrations on pipe system components. Apart from the vibration transmitted by the pressure fluctuation, the vibration that is cause of pump and electric motor rotation and pump blade passing frequency can also be transmitted through pipelines and other elements of the system. For this reason, appropriate steps should be taken in the design phase to minimize vibration amplitude and optimize noise level for the piping in the conduit of vibration transmission.
The damping ratio of the material in vibration transmission is an important parameter. Rubber based viscoelastic materials with high damping ratio are used in hydraulic systems and pipe designs in order to minimize vibration amplitude. Choosing the most suitable design and viscoelastic material is usually made by experimenting, which leads to significant amounts of time and monetary costs.
In the scope of this thesis, mechanical properties of viscoelastic pump discharge pipe were obtained experimentally and the studies of pipe vibrations in literature were researched.
In the study, the mechanical properties of the viscoelastic material were obtained from the DMA tests, by sweeping excitation frequencies (0.1Hz-100Hz) and material temperatures (35°C-80°C). Neo-Hookean hyperelastic model were used according to the storage and the loss modulus of the material. The material master curve was fitted by using experimental data fit in MSC Marc software. The material coefficients obtained from the curve and the FFT measurements taken from the pump were provided as inputs to the nonlinear finite element package program MSC Marc software. The analysis results and the vibration measurements which were taken the point where thepipe was connected to the system were compared. After comparing the model and the experiment results, nonlinear finite element analysis was performed with design of experiments consisting of varying parameters depending on geometry. Design optimization has been carried out to minimize vibration amplitude according to the results obtained from the analyzes. The effect of sound power level on the optimized dishwasher was investigated experimentally.