Ev tipi bir fırının düşme testinin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi
Modeling the drop test of household oven with finite element method
Yazar: TOLGA ASA
Danışman: YRD. DOÇ. ZEYNEP PARLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Beyaz eşya = White goods ; Paket programlar = Packaged softwares ; Polistiren köpük = Polystyrene foam ; Sayısal analiz modelleri = Numerical analysis models ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Yapısal analiz = Structural analysis

Özet:
Nakliye sırasında bir ürünün düşme riski sadece son kullanıcı noktasında değil ürün paketlendikten sonraki her an için bulunmaktadır. Olası bir düşme nedeniyle hasar görerek kullanılamaz hale gelecek ürün, satışa hazır bir mamülün satılamaz hale gelmesi anlamına geleceği için kaynak kaybına yol açacaktır. Yüksek sayıda üretim yapan işletmelerde küçük oranda bile bu hasarın görülmesi toplamda ciddi maliyetlere yol açmaktadır.

Nakliye sırasında hasarı önlemek için beyaz eşya sektöründe genleştirilmiş polistren (EPS) yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca düşme hasarını önleyici tasarımlar ve malzeme çalışmaları gerçekleştirilmektedir. Bu konuda düşme testi önemli bir tasarım girdisini oluşturmaktadır. Buna ek olarak düşme testi bir ürüne üretim onayı verilmesinde de önemli bir aşamadır. Bu testte fabrikadan çıkmaya hazır bir ürün kullanılması ve testtin sık sık gerçekleştirilmesi nedeniyle testin masrafı oldukça fazladır. Testin doğal bir kısıtı ise çarpma sırasında ürünün dinamiklerinin ve ürünü oluşturan parçaların hareketlerinin ambalaj malzemesi nedeniyle tam olarak gözlemlenememesidir.
Bahsedilen bu maliyet etkeni ve daha detaylı inceleme imkanı, fırının düşme testinin sayısal olarak modellenmesi fikrini doğurmuştur.

Çalışma kapsamında ilk olarak literatür çalışması gerçekleştirilmiş ve düşme testi için detaylı sayısal modellerin beyaz eşya sektöründe yaygın olmadığı görülmüştür. Çalışmanın diğer bir motivasyonunu bu oluşturmaktadır. Literatür çalışmasının ardından sayısal modelin Hypermesh programı kullanılarak modelleneceği ve çözücünün Radioss olacağı belirlenmiştir.
Fırında düşme sırasında darbe etkisinde kalacak temel malzemeler genleştirilmiş polistren ve fırının çoğunu oluşturan çelik saclardır. Sistemdeki elektronik komponentlerin bir kısmı göz ardı edilirken, motor gibi diğer parçalara göre daha fazla kütleye sahip parçalar modellenmiştir. Sayısal model sonucu saclardaki plastik deformasyonları görebilmek için Radioss çözücündeki malzeme modelleri incelenmiş ve uygun malzeme modeli belirlenerek fırında kullanılan sacların bu malzeme kartına uygun parametreleri belirlenmiştir.

Genleştirilmiş polistrenin mekanik davranışının uzama hızına bağlı olması ve özel yapısı sayısal olarak modellenmesindeki en büyük zorluklardır. Genleştirilmiş polistrenin sayısal olarak modellenmesi hakkında da detaylı literatür çalışması yapılmış ve Radioss'ta kullanılabilecek olası malzeme modelleri belirlenerek en uygununu belirlemek amacıyla ön sayısal modeller kurulmuştur. Bunun sonucunda malzemenin uzama-gerilme eğrisini modele girmeye imkan sağlayan Law 33 malzeme modelinde karar kılınmıştır.

Deneysel çalışmalar ve sayısal modelin oluşturulması paralel olarak yürütülerek sayısal modelin gerçek duruma olabildiğince yakın olması sağlanmıştır. Bu kapsamda prototip olarak hazırlanmış bir fırına farklı pozisyonlarda düşme testi uygulanmış ve sonuçlar sayısal modelin çıktılarıyla karşılaştırılmıştır.

Tez çalışmasının çıktısı olarak düşme testininin bilgisayar ortamında daha tasarım aşamasındayken gerçekleştirilmesini sağlayacak bir sayısal modeli kurulmuştur. Kurulan model testler ile doğrulanmıştır. Sayısal model, gerçekleştirilecek gerçek düşme testlerin sayısını azaltarak maliyet avantajı sağlayacak hem de daha tasarım aşamasında düşmeye uygun tasarım yapılmasını sağlayacağı için sonradan oluşması olası hasarları ve gereksiz emek kaybını önleyecektir. Sayısal modelin bir diğer çıktısı ise polistren malzemenin tasarımına girdi teşkil edecek olmasıdır. Sayısal modelde gerçekleştirilecek optimizasyon işlemleri sayesinde optimum polistren malzeme miktarını belirlemek mümkün olacaktır. Bu sayede hem gereksiz malzeme kullanımının önüne geçilecek hem de ürünün ambalajı gereğinden büyük olmayacağı için nakliye masrafları azalacaktır.

Abstract:
A product's falling risk during transportation is not only available on the end user spot but is also available at any moment after the packaging stage. An incidential fall of a product will cause incremental cause because of the damage on a ready for sale product. In an entity with a high production capacity, forementioned damages even in a low ratio of the total production volume, shall cause serious expenditures. 

In order to prevent the damages that occur in the course of transportation, polystyrene (EPS) is commonly used in the domestic appliances sector. Moreover, designs and materials which are preventing falling damage are being developped by the studies. Drop test is an essential data for designs and additionally it is a substantial stage for manufacturing approval. A forecited test is notably expensive for using products that are ready to be released and for being held frequently. Due to the packing materials, it is not possible to observe movements of the pieces and product dynamics during the impact. 

Mentioned expense factor leaded to the idea of numerical modeling of the oven drop test which will enable detailed examination opportunities. It is possible to improve a product in the design phase by a validated numerical model. It will make design phase more faster and cheaper. It will be possible to analyse a part design for a drop test without any real production. This will be most protitable outcome of the study. 

In this thesis,  a literature study is  carried out and it is seen that detailed numerical modeling for drop test is not common in domestic appliances sector which constitutes another motivation of this thesis. Following the literature study, it is determined that numerical model will be made on Hypermesh, a finite element modelling software, and that solver will be Radioss which is coded by Altair.  

Expanded polystyrene and sheet steels are the basic materials that shall be subject to the impact during oven drop test. While certain electronic components in the system are  disregarded, parts with a greater mass are modeled, such as motors. In order to see plastic deformations on the sheets, material models in Radioss solver are examined. Suitable material model is determined and accordingly, relevant parameters for this material card are identified for the sheets that are used in the oven. Glass and plastic parts is also modelled for calculate the oven mass correctly.
Mechanical behaviour of the expanded polysytrene is depending on the strain speed which is the biggest difficulty for the numerical modeling thereof. Air in an EPS material is another problem in modelling of that. Mechanical behaviour of a polymer foam affect directly from interior air and this situation makes modelling of EPS complicated. A detailed literature study is carried out for numerical modeling of the polysytrene. Potential material models that are usable in the Radioss are determined and in order to detect the most convenient one, pro numerical models are made. As a consequence, Law 33 material model is deemed pertinent which enables to insert stress-strain curve in the model.  Material model with an ability to catch strain rates on EPS is also studied. Absence of test machine, test for specify mechanical properties could not be made. However, experimental studies showed that numerical model is catch the test results of drop test from 40 cm very well. In consequence of that, this thesis triggered another research topic about designing a test machine for determine the strain rates effects on EPS.
 
Experimental studies and numerical model formulation are made simultaneously thus numerical model is as close as possible to the actual case. Within this scope, various drop tests with different positions are implemented to a prototypical oven and the results are compared with the numerical model outputs. Numerical model is justified with the test. Deformation areas and sizes that are calculated with the numerical model are similiar to the test results. Crushes which are spotted on the EPS  after the test are determined in the same area in the numerical model. Moreover, the period between the first crush of the stove to the floor and bounce thereof is recorded with a camera and it is seen that the mentioned period is calculated notably close in the numerical model. The rebound period is 0,034 secs according to the camera records which is calculated as 0,030 secs in the numerical model.

Comparison of the numerical results with the test results shows that numerical model catches deformations on the metal sheet parts very well. A condition to approve on the drop test of an oven is no visual damage on the product. Considering of that, numerical model with good accuracy on sheet parts will be very useful for the future studies.
Another check mark for the drop test is that oven  must work proberly. An example for this situation is observed during  tests by seeing misaligment of fan engine shaft. This misaligment is measured 6 mm in test and calculated 5,5 mm in numerical model.This comparison  is also showed precision of numerical model.

As an outcome of this thesis, a numerical model is made which enables a drop test to be perfomed in computer environment which is yet on designing stage. This numerical model shall not only reduce the number of actual drop tests and provide an advantage in terms of expenditures but also enables finding out designs that are  suitable to fall in designing stage thus potential damages and redundant endeveaours will be prevented. Another outcome of the numerical model is that it shall set a precedent to the design of polysytrene material. Through optimization processes realized in the numerical model, it will be possible to determine the optimum polysytrene material amount. By this means, unnecessary material use shall be obviated and transportation costs shall decrease due to the adequate size of the package of the product.

A justified numerical model for drop test is obtained along with this study. In order to improve this numerical model, glass material's mechanical characteristics shall be modeled accurately with a numerical model. By this means, glass breakage, which is a common risk for the goods with a broad glass area such as stoves, can be modeled realistically and convenient designs can be made faster with low costs.

In the thesis, another open for improvement aspect is to obtain EPS material's characteristics depending upon strain rate. Stress-strain curve which is acquired for the static charge of the model is substantially similar to the test results that are made on 40 cm. For the higher falling cases, EPS material's characteristics for higher strain rate conditions shall be obtained.
It is seen on the results that EPS components do not properly squeeze even in the flat drop test. Numerical results shows that inner sides of EPS component squeeze more than outer sides. Side walls are reason of of this situation. More developed EPS design can be acquirable by this knowledge. EPS material can be transfer to the outer sides of part from the inner sides.

High speed impact test device, a costly and a limited gadget in Turkey, will be produced with a sensitive measuring range due to another study arising from this thesis. Crash and fall resistant products will be manufactured along with this device and also, materials with impact damping capacity will develop faster. Experiments have shown that currently used materials are prone to lose their damping abilities in repetitive impact conditions. In case a product appears to have no damage after the first falling test, it is likely to have damages after the second or third falling tests. Falling tests will be carried out in a faster and sensitive manner and accordingly materials with higher damping ability will be produced through this device.  
It will also improve the material characteristics which are used in a numerical model, thusly margin of error on the numerical model will be decreased. 

According to this study results, improvements on the EPS piece design, will not only decrease the amount of EPS and reduce the costs but also will increase the resistance of the product to a fall. Impact resistant package design will decrease the thickness of a sheet metal in the stove  and consequently will reduce manufacturing and material costs.

To sum up, this master thesis is done in cooperation with Arcelik Inc. and the finite element analysis of drop test for an ongoing oven design project is performed. By the results of this work cost reduction can be obtained by material topology optimization and design support can be given for parts of the oven. Numerical model is validated with experiments and the finite element model is acquired for the new oven design. This numerical model shall not only reduce the number of actual drop tests and provide an advantage in terms of expenditures but also enables finding out designs that are suitable for drop test during designing stage. Thus potential damages and redundant endeavours will be prevented.