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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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?

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.

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.

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.

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

The post Simcenter Amesim ile Hidrolik Sistem Tasarlama ve Geliştirme appeared first on .

Tüm bu endüstrilerin buluştuğu ortak noktalara baktığımızda;
– Yüksek performans ve ürün verimliliği için artan talepleri karşılama,
– Akıllı mekatronik sistemlerin geliştirilmesi,
– Geliştirmeye ayrılan zaman ve maliyetin düşürülmesi,
gibi çalışmaların gereksinimi ön plana çıkmaktadır.

Bu çalışmanın amacı, ürün geliştirme sürecinde Simcenter Amesim ile model tabanlı sistem mühendisliğinin kabiliyetlerini göstermektir.
Özellikle;
– Ürün geliştirme sürecinin henüz başlangıç aşamalarında sistem entegrasyon problemlerini çözümleme,
– Prototip ve test işlemlerinin sayısını azaltma,
– Çok daha fazla parametre ile ileri düzey karmaşık yapıdaki kontrol stratejilerini kısa sürede doğrulama,
konularında mühendislere bu süreçte büyük avantajlar sağlamaktadır.

Çalışmada Simcenter Amesim,1D sistem simülasyonu yazılımı ile gerçekleştirilen uygulamalar :
– Paletli Pompaların NVH Karakteristiği ve Kontrol Edilebilirliği
– Enerji Verimliliğinin Arttırılması
– Titreşimin Azaltılması

Model tabanlı sistem simülasyonundan beklentiler

Yüksek performanslı ve daha verimli ürünler için hidrolik sistemlerin gereksinimlerine baktığımızda;
– Pompa, valf ve aktüatörlerin ihtiyaçlara uygun boyutlandırılması
– Enerji tüketiminin optimizasyonu
– Çalışma koşullarının tümünde kararlı bir davranış
– Gürültü, titreşim (NVH) özelliklerinin geliştirilmesi
– Dayanımı yüksek komponentlerin geliştirilmesi

Simülasyon kabiliyetleri açısından gereksinimler ise şu şekildedir:

1. Akışkan özelliklerinin gelişmiş düzeyde modellenmesi;
– Sıkıştırılabilir sıvılar, havalandırma (aeration) ve kavitasyon yönetimi …

2. Analiz kapsamına göre farklı detay seviyesindeki komponentler;
– Eğilimin olduğu konularda validasyonların oluşturulması
– CAD geometrilerin ve verilerin kullanılabilirliği
– Fiziksel olayların dinamiğinin quasi-static, transient olarak oluşturulabilmesi.

3. Mekanik sistem simülasyonları;
– Otomatik olarak sistemlerin 1D, 2D ve 3D olarak temsil edilmesi
– Dişli, halat, zincir, makara, kam vb. uygulanabilir elemanlar ile elemanter düzeydeki atalet, katılık matrisi ve sönümün hesaplanabilirliği
– 3D multibody araçları için arayüz imkanı

4. Elektrik simülasyonu yeteneği;
– Uygulanan parçalar: solenoid valfler, elektrik motorları ve tahrikler, elektrik sistemleri, batarya vb.
– Ana bileşenler: Voltaj ve akım kaynakları, direnç, endüktans, kapasitans vb.
– Quasi statik, transient modelleme yaklaşımları

5. Kontrol diyagramları ile bağlantılar;
– Gömülü sinyal ve kontrol fonksiyonları
– C koduna sahip kontrol mantığının içeri aktarılabilmesi (import)
– MIL (Model-in-the-Loop) ve SIL (Software-in-the-Loop) için kontrol geliştirme araçlarıyla komple bir arayüz
– İleri seviyedeki HIL (Hardware-in-the-Loop) araçlarına Code çıkışı (export) sağlama

Uygulama 1: Paletli pompaların NVH karakteristiği ve kontrol edilebilirliği

Paletli pompalar, otomotiv endüstrisinde hidrolik direksiyon ve otomatik şanzımanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, egzoz emisyon kontrolü için ikincil hava enjeksiyonu gibi düşük basınçlı benzinli uygulamalarda veya düşük basınçlı kimyasal buhar çökeltme sistemlerinde kullanılabilir.

Basınç kontrollü paletli pompa tasarımı Şekil 1’de gösterilmiştir. Pompa; kanatlı bir rotor, bir çevirme stator halkası ve pompa muhafazasından oluşur. Pompanın yer değiştirme hacmi, rotor ve stator eksenler arasındaki eksantrikliğe bağlıdır. Stator halkasının hareketi, eksantrisitenin (merkezden kaçıklığın) mevcut değerini ve dolayısıyla verilen akış oranını değiştirir.

Basınç kontrollü paletli pompaya ait eşdeğer hidrolik devre Şekil 2’de gösterilmektedir. Pompanın değişen hacmi, iki hidrolik piston ile kontrol edilmektedir. Bir basınç kontrol vanası ise, pompa deplasmanının düzenlenmesiyle pompa çıkış basıncını neredeyse sabit tutmak için soldaki pilot haznesindeki basıncı modüle eder.

Basınç dengelemeli değişken deplasmanlı paletli pompanın 1D Sistem Simülasyon yazılımı Simcenter Amesim modeli şekil 3’de gösterilmiştir.

Simcenter Amesim kullanılarak, paletli pompa için 2 spesifik matematiksel alt model geliştirilmiştir;
– Birinci alt model, iki ardışık kanat arasındaki değişken deplasman hacmini, rotorun dış çapını ve stator halkasının iç çapını tanımlamaktadır. Hazne içerisindeki hacim; hem rotor açısal konumu hem de rotor ve stator halkası arasındaki eksantriklik derecesine göre değişmektedir. Kanat ucu (vane tip) ve stator halkası arasında kalıcı temas olduğu varsayılır.
– Diğer alt model ise, her hazne (chamber) ile emme (suction) veya çıkış (delivery) arasındaki değişken akış geçiş alanını tanımlamaktadır. Ayrıca, bağlantı noktası kenarındaki susturma çentiklerini de hesaba katar.

1D Simcenter Amesim modeli, aşağıdaki fiziksel olayları değerlendirmeye imkan sağlar:
– Anlık hazne hacmi ve hacim değişimi oluşan akış hızı
– Geri akışlar
– Sızıntı akışı
– Her bir hazne ile emme veya çıkış hacimleri arasındaki değişken akışın geçiş alanları
– Haznelerdeki anlık basınçlar
– Stator halkasına merkez hattı yönünde etki eden anlık kuvvet
– Anlık olarak emilen tork
– Kavitasyon fenomeni

Sonuç olarak;
– Farklı çalışma koşulları (özellikle yüksek pompa hızlarında tamamlanmamış doldurma durumlarında),
– Kinematik ve gerçek basınç/akış dalgalanmaları,
– Kontrolcünün davranışı (sabit ya da dinamik durumda),
– Bağlantı noktası plakası zamanlamasının basın/akış dalgalanmaları üzerindeki etkisi, analiz edilebilir.

Pompa çıkışındaki bir orifis, o noktada akışı basınçlandıran genel yükü temsil eder. Mevcut örnekte, pompanın çalışma koşulları aşağıda özetlenmiştir:
– Sabit açısal hız: 1500 rpm
– Kontrol valfinin ayırma basıncı: 11.45 bar civarı
– Sitemin başlangıç basıncı: 0 bar
– Yükleme orifis açıklığı, ilk aşamada sabit bir açıklık seviyesinde tutulur, daha sonra ikinci faz sırasında kısmen kapatılır ve nihayetinde üçüncü aşamada sabit açıklıkta tutulur. Şekil 4, Simcenter Amesim post-processing araçları ile gerçekleştirilen bazı simülasyon sonuçlarını göstermektedir.

Eksantriklik ve bunun sonucu olarak pompa yer değiştirmesi başlangıçta maksimum değerdedir. Çıkış teslim basıncı, kontrol valfinin ayırma basıncına uygun olarak 11.45 bar seviyelerindedir. Bundan sonra, eksantriklik(merkezden kaçıklık), yükü sığdırmak için ilk başta biraz azalır ve sonrasında sabit durum değerini korur.

Şekil 5’de Çıkış (delivery) basıncı üzerinde Fourier dönüşümü (FFT) uygulanarak frekans alanındaki davranış gösterilmiştir.

Model ayrıca, serbest havanın akışkan içerisinde çözünme süresinin (dissolution time) pompa davranışı ve özellikle iç haznelerdeki basınç piklerinde (NVH karakteristiğini belirleyen) ve stator halkasına uygulanan kuvvetlerin üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesini sağlar (kontrol edilebilirliği belirleyen). Sonuç olarak, araştırma amacıyla çözünme zamanı yığın çözüm (batch run) parametresi olarak kullanıldı.

Şekil 6, pompa hızı ω = 1500 rpm olan simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Hazne basınçlandırma, çözünme(dissolution) süresine (τdiss) ve hacimlerin emme ve çıkış portları arasında sıkıştığı süreye bağlıdır. Aslında, çözünme (dissolution) süresi çok kısa olursa, sıvının bulk modülüsü, çıkış port bağlantısını açmadan önce ön sıkıştırma (pre-compression) aşamasında çok hızlı bir şekilde artar. Basınç seviyesi ise bulk modülüsünün (ve hacim değişiminin) doğrudan bir sonucudur, böylelikle daha kısa çözünme süreleri, çıkış portuna kesin bağlanma zamanında en yüksek basınç seviyelerine sebep olur.

Basınç pikleri pompanın NVH karakteristiğini belirler fakat tek başına etkili olduğunu söyleyemeyiz.
Basınç kuvvetleri,
– Pompa sürücüsüne (içten yanmalı motor ya da elektrik motoru) tork talebini,
– Stator halkasına etki eden bir kuvvet üretir.

Sabit deplasman tasarımlarında, stator halkasındaki basınç kuvveti, basit olarak rulmanlar için bir yükü temsil eder, ancak değişken deplasmanlı tasarımlarda, stator stabilizasyonuna ve dolayısıyla deplasman kontrolüne katkıda bulunur. Şekil 7, basınç piklerini ve havanın sıvıda çözünme zamanının fonksiyonu olarak stator halkasına etki eden ortalama basınç kuvvetini göstermektedir

Simcenter Amesim yazılımı ve diğer hizmetlerimiz hakkında detaylı bilgi için lütfen DTA Mühendislik Nümerik Analizler Bölümü mühendisleriyle iletişime geçiniz.

The post Model tabanlı sistem simülasyonu ile hidrolik komponent ve sistem tasarımının hızlandırılması – Bölüm 1 appeared first on .