Farklı elastik malzemeden üretilen hava hortumlarının ısıl genleşme analizi
Thermal expansion analysis of air hoses produced from different elastic materials
Yazar: ASLIHAN ÇAKIR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KEMAL FÜRKAN SÖKMEN
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğal kauçuk = Natural rubber ; Vulkanize kauçuk = Vulcanized rubber

Özet:
Bu çalışma; farklı hammaddeye sahip kauçuk türlerinden üretilen, aynı geometrik şekle ve boyutlara sahip, dört farklı hortumun ısıl genleşme analizini (termal analizini) incelemek amacıyla yazılmıştır. Termal analizler, katı-akışkan etkileşimli (FSI) analizlerdir. FloEFD programında, CFD analizi aracılığı ile hortum geometrisinin basınç değeri ve dağılımı tespit edilmiştir. Bu basınç dağılımı, Ansys programına aktarılarak, basınç kuvvetlerinin hortum üzerinde yarattıkları deformasyon incelenmiştir.
Hortumlar EPDM, ECO, AEM ve NBR/CSM kauçuk hamurlarından üretilmiştir. İmalat ve çap genişleme test süreci Bursa Demirtaş Organize Sanayi Bölgesinde faaliyet gösteren Elatek Kauçuk Sanayi Ticaret AŞ'de gerçekleştirilmiştir. Kauçuk hamuru üretimi firma bünyesinde yer alan karışım laboratuvarında, kauçuk hamurları ilgili şartnamelere göre hazırlanmaktadır. Üretilen hamur gerekli malzeme testlerine tabi tutularak, şartname referans değerlerine uygunluğu onaylandıktan sonra, sırasıyla, ekstrüzyon işlemi ve vulkanizasyon işlemine tabi tutulmaktadır. 
Üretilen hortumlar firma bünyesinde yer alan performans testi laboratuvarında, özel üretilmiş bir cihaz yardımıyla çap genişleme testine tabi tutulmaktadır. Test, 100°C ve 140°C olmak üzere iki farklı sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Cihaz kabinine bağlanan hortumların içerisinden bu iki sıcaklıkta, test şartnamelerinde belirtilen basınç değerlerinde sıvı geçirilmiştir. Test sonucunda, ilk ve son çap arasındaki fark ifade edilmiştir. Bu işlem dört farklı kauçuk türü için, iki farklı sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. 
Çalışmanın analiz kısmı iki bölümden oluşmaktadır: FloEFD programında yapılan CFD analizi ve Ansys programında yapılan FEA analizi. Hortum geometrisi, FloEFD programına aktarılarak uygun sınır koşulları belirtilir. Geometri için optimum mesh yapısı oluşturularak analiz başlatılır. Çıkan sonuçlar; test sonucunda elde edilen basınç kaybı ile karşılaştırılarak oluşturulan modelin doğruluğu teyit edilmiş olur. Ayrıca, bu sonuçlar, FEA analizi için girdi niteliğinde olmaktadır. 
Ansys programında malzeme bilgilerini doğru aktarabilmek amacıyla kauçuğun elastisite değerlerinin bilinmesi gerekmektedir. Ancak, kauçuklar standart malzemeler değildir. Bu sebeple, kauçuğun malzeme özelliklerini saptamak amacıyla çekme testi yapılmıştır. Dört farklı kauçuk türünden üretilen hortumların üzerinden çekme numunesi kesilmiştir. BTÜ Makine Mühendisliği Laboratuvarında yer alan çekme testi cihaz ile test edilen hortumlara ait stress-strain grafikleri elde edilmiştir. Bu grafiklerden elde edilen elastisite modülü ile malzemenin mekanik özelikleri Ansys programına başarı ile aktarılmıştır.
Analiz sonucuna göre tüm hortum türlerinde ortalama 1 mm ile 2 mm arasında genişleme mevcuttur. 100°C'de yapılan çap genişleme test sonucu ve analiz sonucu karşılaştırıldığında elde edilen sonuçların birbiri ile uyumlu olduğu görülmektedir. Tahmin edildiği üzere 140°C'de çap genişleme testinden elde edilen genleşme miktarı 100°C'de elde edilen sonuçlara göre daha fazladır. Bu durum: "Sıcaklık ile genleşme miktarı arasındaki ilişki doğrusaldır." teorisini kanıtlamaktadır. Ancak 140°C'de yapılan CFD analiz sonuçları ile 100°C'de elde edilen sonuçlar hemen hemen aynı değerlerdedir. Bu nedenle, 140°C'de yapılan çap genişleme test sonucu ve analiz sonucu karşılaştırıldığında elde edilen fark, 100°C'de elde edilen farka göre daha fazla olduğu görülmektedir.
Kauçuk hortumların dayanabildiği maksimum sıcaklık 150-180°C'dir.Ancak yapılan çalışma göstermiştir ki, bu değerlerden düşük sıcaklıklarda da kauçuğun yapısında bir miktar deformasyon görülmektedir. Bu nedenle, kauçuk hortumların analizlerde katı cisimmiş gibi modellenmesi, analiz sonuçlarının ve buna bağlı olarak sistemin çalışma koşullarının yanlış yorumlanmasına sebep olmaktadır. En iyi yorumlamayı yapabilmek ve kauçuk hortumların kullanıldığı sistemlerde en iyi performansı elde edebilmek amacıyla deforme olmuş hortuma göre analiz gerçekleştirmek bizi en kötü duruma hazırlayacaktır.

Abstract:
This paper was written to examine the thermal expansion analysis of four different hoses of the same geometric shape and dimensions, produced from rubber types with different raw materials. Thermal analyzes are solid-liquid interactive (FSI) analyzes. In the FloEFD program, the pressure value and distribution of the hose geometry were determined. This pressure distribution was transferred to Ansys program and the deformation created by the pressure forces on the hose was examined.
Hoses are made of EPDM, ECO, AEM and NBR/CSM rubber pulps. Manufacturing and test process was carried out in Elatek Rubber which is operating in Bursa Dosab. The dough produced is subjected to the necessary material tests and the dough is subjected to extrusion and vulcanization, after the confirmation.
Produced hoses are subjected to diameter expansion test in the performance test laboratory. Fluid was passed through the hoses at 100°C and 140°C, at the pressure values specified in the test specifications. At the end of the test, the difference between the first and last diameter was expressed. This process was carried out for all hoses.
The hose geometry is transferred to the FloEFD to specify the appropriate boundary conditions and the optimum mesh structure. The results are compared with the pressure loss obtained in the test and thus the accuracy of the model is confirmed. These results are input for FEA analysis.
Rubbers are not standard materials. Therefore, tensile test was performed to determine the material properties of rubber. The tensile specimen was cut over the hoses made of four different rubber types. Stress-strain graphs of the hoses tested with tensile test device were obtained. The mechanical properties of the material were successfully transferred to Ansys with the elasticity module obtained from these graphs.
According to the results of the analysis, there is an average expansion of 1-2 mm in all hose types. When the diameter expansion test and analysis results at 100°C are compared, it is seen that the results obtained are compatible with each other. As expected, the amount of expansion obtained from the diameter expansion test at 140°C is higher than the results obtained at 100°C. This proves the theory that the relationship between temperature and the amount of expansion is linear. CFD analysis results at 140°C and the results obtained at 100°C are almost the same. Therefore, When the diameter expansion test at 140°C and the analysis result are compared, the difference is higher than the difference at 100°C.
The maximum temperature that rubber hoses can withstand is 150-180 ° C. However, the study has shown that some of the deformation of the rubber structure can be seen at lower temperatures. Therefore, the modeling of rubber hoses as solids in the analysis leads to the misinterpretation of the analysis results and consequently the operating conditions of the system. Performing analysis according to the deformed hose will prepare us for the worst case in order to achieve the best interpretation and to obtain the best performance in systems using rubber hoses.