Simcenter Amesim ile Hidrolik Sistem Tasarlama ve Geliştirme

Simcenter Amesim Hidrolik kütüphanesi kullanıcılar tarafından özellikle otomotiv, havacılık, denizcilik, petrol-doğalgaz ve makine endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Birbiriyle etkileşimli çalışan fiziksel sistemlerin bir arada bulunduğu hidrolik, termal, mekanik, elektrik veya kontrol gibi fiziksel elemanlar ile kapsamlı modeller oluşturulabilir. Simcenter Amesim çoklu fizik sistemleri analiz etme yeteneği sayesinde karmaşık problemlerin kolaylıkla çözülmesini sağlar.

Şekil 1: Basınç düzenleyici valfin Şematik gösterimi ve Simcenter Amesim modeli

Farklı fiziksel elemanların birlikte kullanılmasıyla Simcenter Amesim kullanıcılara pompa, kontrol vanası, hidrolik süspansiyon ve benzeri gibi hidro-mekanik sistemleri tasarlama imkanı sunar.

Simcenter Amesim ile temel bir hidrolik sistem tasarımı

Şekil 2: Hidrolik hareket sisteminin Simcenter Amesim modeli

Bu temel uygulamanın tasarımını birlikte inceleyelim. Şekil 2’deki modelde kullanılan elemanlar Hidrolik ve Mekanik kütüphanelerden seçilmiştir. Hareket çift etkili hidrolik silindir ile sağlanacaktır. Farklı uygulamalar için hidrolik kütüphanesinde çeşitli türlerde hidrolik aktuatörler mevcuttur. Tasarıma bağlı olarak Şekil 3’de gösterilen hidrolik kütüphanesindeki aktüatörlerden uygun olan birini seçebilirsiniz.

Şekil 3: Simcenter Amesim’de bulunan hidrolik aktuatör modelleri

Bu hidrolik aktuatör modellerinin tamamı fonksiyonel modellerdir. Ayrıca bu modeller HCD (Hidrolik Komponent Tasarımı) kütüphanesi yardımıyla geometrik detayları göz önünde bulunduran daha gelişmiş bir fiziksel model olarak da modellenebilirler.

İstenilen sistemi oluşturmak için elemanlar tasarım ortamına sürükle bırak yöntemiyle taşınır ve fiziksel bağlantıları gerçekleştirilir. Ardına elemanların uygun olan alt modelleri seçilir. Bir elemanın alt modelleri, fiziği temsil eden matematik modelin detay seviyesini temsil eder. Kütle elemanını örnek olarak alırsak, şekil 4’de üç farklı alt modelinin olduğunu görebilirsiniz.

Şekil 4: Kütle elemanının alt modelleri

Sistemi oluşturup uygun alt modelleri de belirledikten sonra sistemdeki elemanların parametrelerini belirleriz. Hidrolik krikoyu temsil eden hidrolik aktüatör elemanı için piston ve kol çapı gibi geometrik boyutları, başlangıç basınçları ya da başlangıç deplasmanı gibi parametreler tanımlanır.

Şekil 5: Hidrolik aktuatör elemanı için tanımlanması gereken parametreler

Bu parametreler, üreticilerin teknik kataloglarından veya bu bir konsept tasarım ise analitik hesaplamalar ile öngörülebilir.

Gerekli olan parametre tanımlamalarını da tamamladıktan sonra model simülasyonu başlatmaya ve simülasyon sonrası sonuçları görüntüleme işlemine geçmeye hazırdır.

Modelin simülasyonu başladıktan sonra her bir eleman için görmek istediğiniz değişkeni arayüze sürükleyip bırakarak grafiklerini çizdirebilirsiniz.

Şekil 6: Simülasyon sonucu kütle elemanının deplasmanı

Değişkenlerin grafiklerini çizdirmek, sistemin düzgün çalıştığını ve bir değişikliğe ihtiyacın olup olmadığını anlamamızı sağlar. Ayrıca grafikler farklı tasarımları karşılaştırma için de kullanılabilir. Hidrolik elemanlar için çizdirilen grafikler genellikle hattaki basınç, basınç kayıpları ve debi gibi değişkenlerdir.

Simcenter Amesim’de sisteminizin çeşitli konfigürasyonlarını karşılaştırmak amacıyla toplu çalışma simülasyonlarını kolayca şekilde oluşturmanızı sağlayan ‘Study Manager’ aracı mevcuttur.

Şekil 7’de hidrolik sistemdeki aktüatörün piston çapı için ‘Study Manager’daki çalışma ayarlarını görebilirsiniz.

Şekil 7: ‘Study Manager’ toplu çalıştırma ayarları

Bu çalıştırma ayarları ile 6.2 mm olan piston çapı 0.5 mm adımlarla 6 adım artarak 9.2 mm olacak şekilde toplu çalıştırma işlemi kullanılacaktır. Toplu çalışma kullanmak, sistemdeki bazı parametre değişimlerinin sistem cevabı üzerine etkisini görebilmemizi sağlar.

Bu hidrolik hareket sisteminde pistonun zamana göre yer değiştirmesini değişen piston çapına göre karşılaştırdık. Tüm sonuçları aynı grafik üzerinde çizdirirseniz, hangi konfigurasyonun beklentilerinizi karşıladığını ve sizin için en uygun tasarımı tam olarak görebilirsiniz.

Şekil 8: Değişen piston çapının kütlenin deplasmanına olan etkisi

Bu sadece Simcenter Amesim’in temel hidrolik sistem tasarımında size nasıl yardımcı olabileceğini gösteren bir uygulamadır. Bu örneği referans alarak Simcenter Amesim’in hidrolik sistem geliştirmek için nasıl yararlı olabileceğini gösteren biraz daha karmaşık bir örneği birlikte inceleyelim.

Simcenter Amesim ile hidrolik sistemleri nasıl geliştirebiliriz?

Şekil 9: Hidro-mekanik sisteminin Simcenter Amesim modeli

Hidrolik sistemler ön tasarım aşamalarında basınç seviyeleri, debilerin dağılımı ve energi tüketimi açısından optimize edilmemiştir. Öncelikli olarak sistemi oluşturmak için hidrolik elemanlar birleştirilir ve ardından sistemin düzgün çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için bir takım testler yapılır. Sistemin çalışması doğrulandıktan sonra sistemin performanslarının optimizasyonuna geçilebilir. Şekil 9’da örnek olarak kullandığımız hidro-mekanik sistemi görmektesiniz. İlk adım, başlangıçta tanımlanan tüm gereksinimlerin karşılanıp karşılanmadığını doğrulamaktır.

Şekil 10: Pompa çıkışındaki basıncın zamana bağlı değişimi

Bu çalışma için pompa çıkışındaki basınç seviyesi 5 bar’dan fazla olmamalıdır. Ancak sonuçlar kontrol edildiğinde maksimum basınç seviyesi beklediğimiz değerin oldukça üstünde 30.000 bar’dır. Bu basınç değerini 5 bar’ın altında tutmak için sistemin iyileştirilmesi gerekmektedir.

En kolay çözüm sisteme bir basınç düzenleyici eklemektir. Pompanın çıkış basıncını gerekli seviyelere indirmek için hacimsel pompanın paralelinde bir basınç tahliye valfi eklenir.

Şekil 11: Basınç tahliye valfi eklenilmiş hidro-mekanik sistem

Pompa çıkış basıncını düzenlemek için basınç tahliye vanasını eklemeden önce, pompanın çıkışta çok fazla basınç sağlayabildiğini fark ettiniz.Bununla birlikte aklımızda bulundurmamız gereken pompanın çıkışta 5 bar veya daha fazla basınç sağlamak için aynı miktarda enerji tüketmesidir. Sistemde bu şekilde basınç düzeleyici sistem kullanılması enerjinin boşa harcandığı anlamına gelir.

Peki, enerji israfını önlemek ve ardından enerji tüketimini optimize etmek için hangi çözümleri kullanabiliriz ?

1. Diğer sistemleri beslemek için fazla basınçların yeniden kullanılması,
2. Çıkıştaki basıncın uyarlanabilmesi için pilot edilebilen değişken deplasmanlı hacimsel pompa (Döner ya da sürgülü kanatlı pompa gibi) kullanılması
3. Hız kontrollü elektrik motoru kullanılması gibi çeşitli çözümler mevcuttur.

Bütün çözümleri Simcenter Amesim yazılımında uygulayabiliriz. Bu çalışma için üçüncü seçeneği kullanabiliriz.

Şekil 12: Hidrolik sistemi optimize etmek için hız kontrollü elektrik motoru kullanılmış hidro-mekanik sistem

Sabit devirde çalışan bu sistemde gücün boşa harcanması sistem durağan haldeyken bile devam eder. Bu, hidrolik kriko hareket etmediği ya da maksimum veya minimum deplasman seviyelerine ulaştığı zamanda pompanın gerekli olmayan gücü harcamaya devam edeceği anlamına gelir.

Elektrik motorunun devir sensörü ve hidrolik aktüatörde bulunan deplasman sensoründen alınan bilgiler P ve PI denetleyici sayesinde elektrik motorunun hızını kontrol etmek için kullanılır. Böylece sistemin ihtiyaç duyduğu devir elektrik motoru tarafından sağlanmış olur.

Bu örnek Simcenter Amesim’de oluşturulan hidrolik sistemin optimizasyonu için çok fizikli sistemin nasıl kullanılabileceğini göstermektedir. Bu ya da benzer talepleriniz için DTA Mühendislik Nümerik Analizler Bölümü mühendisleriyle iletişime geçebilirsiniz.

Simcenter Amesim ile Hidrolik Sistemler hakkında diğer makaleler;

Model tabanlı sistem simülasyonu ile hidrolik komponent ve sistem tasarımının hızlandırılması
SIEMENS Simcenter Amesim’de Hidrolik Çok Diskli Kavramaların Sistem Simülasyonu

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *