Geri Dön

Design and finite element analysis of 100 ton double girder overhead crane

100 ton kapasiteli çift köprülü köprü tipi krenin tasarımı ve sonlu elemanlar yöntemiyle yapısal analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 633581
  2. Yazar: GÜRKAN TAŞDEMİR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SERPİL KURT HABİBOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Konstrüksiyon Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 117

Özet

Teze konu alınan köprü tipi krenler bütün üretim alanlarında çok uzun zamandır kullanılmaktadır. Son yüzyıldaki haliyle bildiğimiz krenlerin çeşitli varyasyonlarına çeşitli sektörlerde ihtiyaç duyulduğunu, bu alanda çalışan mühendisler ve işletmeler, artan iş verimi raporlarıyla kesin bir şekilde göstermiştir. Temel olarak organik gücün yetmediği durumlarda yakıt destekli makine gücü ile çözüm olan krenler günümüzde ise daha kompleks haldedir. İçeriğindeki yüksek kalite malzemeler ve çeşitli robotik komponentler ile yapılması gereken işin en güvenli ve emniyetli şekilde tamamlanmasına katkı sağlamaktadır. Bu artan teknolojik gelişmelerin özellikle bilgisayar teknolojisinin gelişmesiyle beraber sonlu elemanlar analizi yönteminin uygulanabilirliğinin keşfedilmesi ve de kolaylaşması, genel olarak tüm makinelerin yüksek tolerans seviyesinde optimize edilmelerine olanak sağlamıştır. Giriş kısmında çalışma öncesinde ve sırasında edinilen kaynakların incelenip, çalışmanın gelişiminde fayda sağlayan kısımları özetlenmiştir. Literatürden elde edilen kanıtlanmış bilgiler bu çalışmada belirtilerek, tekrar kanıtlama ihtiyacı duyulmadan sonuçlarından faydalanılmıştır. Sonrasında, krenlerin gelişimini açıklamak üzere erken döneme kısa bir atıf yapılarak bu krenlerin en bilinen ilkel tipinden başlayarak günümüzde kullanılan diğer türlerine dair kren çeşitleri ve konstrüksiyonları açıklandı. Yük kaldırma ve taşıma işine hemen hemen her sektörde ihtiyaç duyulduğundan dolayı çok farklı sektörlerde farklı tiplerde krenler kullanılmaktadır. Yapılması istenen işin özelinde, spesifik ihtiyaçları gideren, mühendislik olarak kapsamlı çözümler bulunmaktadır. Endüstride bulunan bu farklı tipteki krenleri mobil ve yerleşik krenler olarak kabaca iki ayrı ana başlıkta ayırarak en sık kullanılan örnekleri açıklandı. İkinci başlıkta krenlerin ana yapısında bulunan kaynak bölgeleri ya da kirişlerin montaj hassasiyeti gibi konulardaki sınır koşulları açıklandı. Kren strüktüründe bulunan kedi arabası ile kanca arasındaki iletimi sağlayan taşıma halatı, yükün asılması için yüksek mukavemete sahip olması gereken kanca, yapıyı taşıyıp ray üzerinde hareketini üstlenen tekerlerdeki aşınma ve boyutlandırma gibi ikincil yardımcı komponentlerin mekanik sınır koşulları incelenmiştir. Son olarak da elektrik panelleri, kontrol panelleri, sensörler gibi hassas elektronik komponentlere dair tasarım şartları hakkında bilgilendirme yapılmıştır. Çalışmamızda inceleyeceğimiz Köprü tipi kren ise kapalı alanda düzenli taşıma, montaj, üretim, stoklama vs. gibi işlere ihtiyaç duyulan alanlarda kullanılmaktadır. Bu bölümde öncelikle köprü tipi krenlerin temel yapısı, ana komponentleri; ana kiriş, yan kirişler ve troley açıklandı. Uluslararası camiada kabul edilen standartların krenler hakkında yaptığı sınıflandırmalar işbu başlıkta derlenerek, sınıflandırma bakış açıları açıklanıp bunlar arasındaki farklar irdelendi. Daha sonra bu kren tipi hakkında literatürde geçen 2020 yılı dahil en güncel standart ve spesifikasyonlar incelenerek analitik çözümlerin kaynağı anlatıldı. Çalışmanın bu alanda yapıldığı zaman itibariyle en güncel standart serisi temel alınarak konstrüksiyonu belirlendi. Burada edinilen uluslararası kabul görmüş kren sınıflandırmaları, sınır şartlarının kabulü ve her uygulamaya ayrı tanımlanmış olan güvenlik katsayıları, tezin hesaplama kısmının hazırlanmasında rehber edinildi. Kren yapısı üzerinde gerilmeye neden olan yüklerin her biri için standartta ayrı tanımlanmış katsayılar kullanılarak yapının“en tehlikeli senaryo”durumunda taşıdığı yükler test edildi. Kren siparişi veren işletmeler, bünyesinde yapılan işlere göre tasarımın hangi şartlarda çalışacağını yine bu standart serisinin tanımlamış olduğu sınıflara göre belirleyip üreticiye bildirmektedir. Tasarımcı için yük ve taşıma sınıflarının belli olması ikincil kontrol edilmesi gereken faktörlerin de kapsamını üreticinin maliyet kaygısına göre değil; tamamiyle uluslarararası standardın emniyet gerekliliğine göre koşullandırmaya iteceği için işini kolaylaştırmaktadır. Çalışmada hesaplamalar bölümünde öncelikle krenin bulunduğu coğrafi ve bina şartları gözetilerek sismik etkilerin hesaplanması konusu incelendi. BS ISO 11031 Sismik dayanımlı krenlerin prensipleri standardında irdelenen konu başlıkları temel alınarak çalışmadaki konstrüktif şartlara eklendiler. Yapılar üzerindeki deprem etkisi birçok farklı bilim alanının ortak konusu olmuştur. Öncelikle depremi yaratan fay hatları ve yer kabuğunun hangi eksenli olduğu gibi jeolojik şartların yapı lokasyonuna göre belirlenmesi gerekir. Çalışmadaki kren köprü tipi olması dolayısıyla bina iç kolonu üstüne yerleştirilen raylar üzerine oturtulur. Dolayısıyla krenin sismik koşullara dayanımı öncelikle bulunduğu binanın gerekli yapısal inşaat şartları sağlamasıyla başlar. Çalışmada krenin mekanik yapısı incelenmesi amaçlandığı için bina strüktür koşulları mümkün olduğunca iyi tertip edildiği öngörülmüştür. Deprem etkisinin incelenmesinde son bölüm olan mekanik şartların sağlanması ise detaylı olarak bu çalışmada incelenmiştir. Deprem sonucu oluşan sismik hareketin neden olduğu, kren yapısına etki eden dikey ve yatay ivmeler belirlendi. Krenin taşıdığı yüke ek olarak, bu belirlenen ivmelerin sebep olduğu ek gerilmeler belirlenip olağan gerilmelere eklendi. Kren lokasyonu olarak belirlenen İstanbul, Türkiye, sismik olarak aktif bir bölgede bulunması nedeniyle bu faktörlerin tasarlanması istenen yapılarda dikkate alınması gerekmektedir. Depremin neden olduğu sismik ivme kren yapısını ve krenin taşıdığı yükü farklı şekilde etki etmektedir. Bu çalışmada hem kren ana yapısındaki sismik etki hem de kren yüküne etki eden sismik etki ayrı hesaplanarak tatbik edilmiştir. Kren ana kirişlerinin tasarımında, kenarlarda yukarı doğru kesit bölge açılarak krenin yüksekliğini mümkün olduğunca artırmamak hedeflendi. Bu tasarım, malzeme tasarrufu sağlasa da kısalan kiriş yüksekliğine sebep olması nedeniyle kenarlarda kesme gerilmesinin artışına sebep olmaktadır. Artışın tolere edilebilir bir seviyede olması koşuluyla bu daralma işlemi yapılması gerekmektedir. Esasen minimalist bir katkı sağlayan bu tasarım değişikliği zaruri ihtiyaç olmamasına karşın sağladığı boy kısalması sayesinde halat sarımı tepe noktasında malzemeye daha yakın pozisyonda olmaktadır. Tasarım bölümünde figürlerle detaylandırıldığı üzere kenarlardaki bu artan kesme gerilmesini, kesmenin en fazla yaşandığı ana kiriş ve yan kirişin montaj edildiği bölgede, ana kirişin içinde ek perde atılarak stres dağılımı sağlanarak kontrol seviyesinde tutuldu. Özellikle içinde bulunduğumuz sanayi çağının gereği olan minimum malzeme, maksimum gerilim dayanımı prensibini korumak adına MathCAD programında tüm matematiksel işlemler formülize edilerek veriler her bir girdi tekrarlı hesaplama yöntemiyle analiz edilerek formülize edildi. Özellikle incelenen krenin boyutlandırma hesaplamaları nominatif olarak da verilmesiyle tez içeriğini örnek sayısal değerlerden uzak daha bilgilendirici bilimsel bir çalışma yapılması hedeflendi. Elde edilen çıktılarla üç boyutlu sanal ortamda birebir ölçüleriyle model tamamlandı. Üç boyutlu tasarım SolidWorks yazılımında yapılmıştır. Tasarım daha sonra Sonlu elemanlar analizinin yapılacağı Hypermesh yazılımına aktarılmıştır. Hypermesh programında tasarımdaki ana parçaların birbiriyle olan kaynak bölgeleri belirlenerek bu bölgelerdeki kaynak bağlantısı profil malzemelerinden ayrı olarak tanımlanmıştır. Kaynak malzemesi ve profil malzemeleri, yük altında farklı mekanik özellikler sergilemeleri dolayısıyla bunların ayrı gruplanıp incelenmesi gerekmektedir. Kaynak malzemesinin ve profil malzemesinin gerilme limitleri aynı zamanda çalışmada hesaplamalar bölümünde irdelenmiştir. Gerilme sınır değerleri incelenen standartlarda farklı olarak belirlenmesinden dolayı aynı şekilde çalışmada da izin verilen stres değerleriyle karşılaştırılan bölümde ayrı olarak belirtilmiştir. Burada edinilen limit değerler ile bilgisayar ortamında HYPERMESH yazılımının Optistruct modülüne göre statik analiz yapılarak da aynı kontrol edilmiştir. Paket programlarla sonlu elemanlar analizi yardımıyla çıktıların, matematiksel denklemlerle karşılaştırılması sağlandı. Burada kiriş üzerinde yapılan hesapların ayrı şekilde incelenmesi tasarım belirtlenme esaslarının doğruluğunu göstermek amacıyla sunuldu. Son olarak farklı senaryoların her biri analiz başlığında gösterilmiştir. Kiriş üzerinde 9 farklı noktadan alınan alınan bilgisayar destekli yapısal analiz sonuçlarıyla beraber stres hesaplamalarının konuma bağlı maksimum gerilme çıktıları aynı grafik üzerinde karşılaştrılmıştır.

Özet (Çeviri)

Cranes are one of the most common transportation mechanisms in industry. It is used in many fields e.g. workshops, warehouses, powerplant stations, installation lines, shipyards and so on. Improvements on crane's potential capabilities have been increased within computer aided design. It is also witnessed that development in material sciences increased load capacity and decreased total weight, production costs. The crane type studied in this paper; overhead bridge crane is working mostly at inner ambients and predominantly repetitive works. The design of the crane starts with defining all classes related with load severity, load recurrence, lifetime group. The listed classifications and size of desired crane are evaluated by the customer and submitted to the producer to be designed. Designer is responsible to provide crane design valid according to internationally approved standards such as BS, EN, ISO, CMAA. However, the final product is always determined by the help of Finite Element Method. Earthquake-Resistant crane with 100ton capacity works in powerplant station as installation crane is aimed to design in this study. The design calculations are based on mostly BS and ISO Standards. The coefficient factors according to these standards are defined so calculations multiplied with expected loads. There are several different coefficients for each load scenario that creates stress on crane girder. The other main factor in this study is investigation of seismic conditions. Istanbul, Turkey is selected as crane location and since it is high hazardous earthquake location, seismic effects must be considered before designing a crane to avoid human death. Hence, seismic conditions due to possible earthquakes in the design location are studied. Possible earthquake datas are collected and implemented on crane load scenarios. Finally, all calculations of load scenarios above mentioned gathered in final equations and dimensions of crane is defined. At the last chapter, determined dimensions of the crane by mathematical calculations are practised in CAD with SolidWorks software. The design is transferred to Hypermesh software and meshes are generated to perform FEM. Thus, the design gets ready when it fulfills most dangerous possible load scenarios and fatigue test. The optimized results gathered by both mathematical equations and FEM are shown in the last chapter.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    779373

    Hidrolik tahrikli preste kapalı kalıpta sıcak dövme prosesinin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi testi ve analizi

    Finite element modeling test and analysis of closed die hot forging process in hydraulic driven press

    UTKU BİÇER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEVAT ERDEM İMRAK

  2. Tez No

    292099

    Tersanelerde kullanılan portal kreynlerin tasarım kriterleri

    Design principles of gantry cranes in shipyards

    SERDAR METE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. YALÇIN ÜNSAN

  3. Tez No

    380861

    Mobil vinçlerde teleskobik bom ve jib bom mekanizmasının tasarımı, analizi ve optimizasyonu

    Telescopic boom and jib boom mechanism of mobile cranes design, analysis and optimization

    YUNUS GÜDER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Makine MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ SERHAT ERSOYOĞLU

  4. Tez No

    880203

    Küresel vananın sonlu elemanlar analiz yöntemi kullanılarak optimize tasarımı

    Optimized design of a ball valve using finite element analysis method

    TEYMUR MAMMAD

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TİJEN ÖVER ÖZÇELİK

  5. Tez No

    444726

    Ağır ticari araçlarda kullanılan parabolik yaprak yayların yorulma davranışının incelenmesi

    Fatique behavior investigation of parabolic leaf springs used in heavy comercial vehicles

    UFUK TANER CEYHANLI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET BOZCA

Geri Dön