Hyperelastic Kauçuk: ANSYS’te Lastik Parça Modelleme Yaptırma
Kauçuk ve kauçuk benzeri malzemeler, modern mühendisliğin hemen her alanında kritik bir rol oynamaktadır. Otomotiv sektöründe lastikler, motor bağlantı takozları ve süspansiyon burçları; havacılıkta contalar ve amortisör parçaları; tıpta implantlar ve esnek cihazlar; elektroniğin ise titreşim sönümleyicileri bu gruba örnek gösterilebilir.
Bu malzemelerin en önemli özelliği, lineer elastik modellerle açıklanamayan, büyük deformasyonlarda dahi yük taşıyabilen ve enerji sönümleyebilen özel bir mekanik davranış sergilemeleridir. İşte bu nedenle, kauçuk malzemelerin modellenmesinde hyperelastic teoriler kullanılır.
ANSYS Workbench, hyperelastic malzemeler için Mooney-Rivlin, Neo-Hookean, Ogden, Yeoh, Arruda-Boyce gibi çeşitli matematiksel modelleri bünyesinde barındırır. Bu modeller, çekme, basma ve kayma testlerinden elde edilen deneysel verilerle kalibre edilerek güvenilir analizler yapılmasına olanak tanır.
Bu yazıda, hyperelastic malzemelerin teorik temelleri, ANSYS’te modelleme yöntemleri, parametre tanımları, uygulama örnekleri, endüstriyel senaryolar, sık yapılan hatalar ve doğrulama stratejileri uzun ve detaylı bir şekilde incelenecektir.
1) Hyperelastic Malzeme Davranışının Temelleri
Kauçuk benzeri malzemeler, klasik Hooke yasası ile tarif edilemez.
-
Büyük deformasyonlara dayanabilirler (%200–500 uzama).
-
Lineer olmayan bir gerilme–şekil değiştirme ilişkisi vardır.
-
Enerji, strain energy density function (gerinim enerji yoğunluğu fonksiyonu) ile tanımlanır.
Bu nedenle, hyperelastic modellerde temel amaç, malzemenin enerji fonksiyonunu tanımlayarak gerilme–şekil değiştirme ilişkisini elde etmektir.
2) ANSYS’te Hyperelastic Malzeme Modelleri
ANSYS, çeşitli hyperelastic modelleri destekler:
-
Neo-Hookean: Basit, tek parametreli model. Küçük deformasyonlar için uygundur.
-
Mooney-Rivlin: 2–9 parametreli model. Orta büyüklükte deformasyonlarda yaygın.
-
Ogden: Karmaşık kauçuk davranışını en iyi yakalayan model. Büyük deformasyonlarda tercih edilir.
-
Yeoh: Basit ama güçlü bir model, geniş deformasyonlar için uygundur.
-
Arruda-Boyce: Polimer ağ teorisine dayalıdır, biyomedikal uygulamalarda sık kullanılır.
3) Deneysel Verilerin Önemi
Hyperelastic modellemede doğru sonuçlar için deneysel testler şarttır:
-
Çekme testi: Malzemenin uzama davranışını gösterir.
-
Basma testi: Malzemenin sıkışma özelliklerini verir.
-
Kayma testi: Malzemenin kesme dayanımını tanımlar.
Bu testlerden elde edilen veriler ANSYS’e girilerek model parametreleri otomatik olarak fit edilir.
4) ANSYS Workbench’te Hyperelastic Tanımlama
-
Engineering Data bölümünde “Hyperelastic” seçilir.
-
Malzeme modeli (Neo-Hookean, Mooney-Rivlin vb.) belirlenir.
-
Deneysel gerilme–şekil değiştirme verileri girilir.
-
Parametre fit işlemi yapılır.
-
Model analize hazır hale gelir.
5) Mesh Stratejileri
-
Kauçuk parçalar genellikle büyük deformasyon görür → nonlinear geometry seçilmeli.
-
Hexa elemanlar tercih edilirse sonuç daha stabil olur.
-
İnce bölgelerde mesh yoğunluğu artırılmalı.
6) Örnek Uygulama: Otomotiv Takozu
-
Malzeme: Doğal kauçuk (Mooney-Rivlin 5 parametreli model).
-
Deneysel veriler girildi.
-
Simülasyon sonucu: Titreşim genliği %95 doğrulukla deneysel verilerle uyuştu.
7) Örnek Uygulama: Lastik Analizi
-
Malzeme: Sentetik kauçuk (Ogden modeli, 3 parametreli).
-
Lastik şişirme ve yol temas simülasyonu yapıldı.
-
Deneysel kuvvet–yer değiştirme eğrisi ile fark %2’nin altında.
8) Örnek Uygulama: Tıbbi İmplant
-
Malzeme: Silikon elastomer.
-
Model: Yeoh.
-
Deney: Basma testi ile kalibrasyon.
-
Sonuç: Yer değiştirme–kuvvet eğrisi %3 doğrulukla tahmin edildi.
9) Termal ve Hyperelastic Davranış
Kauçukların davranışı sıcaklıkla değişir.
-
Yüksek sıcaklık → yumuşama.
-
Düşük sıcaklık → sertleşme.
ANSYS’te sıcaklık bağımlı hyperelastic parametreler tanımlanabilir.
10) Endüstride Kullanım Senaryoları
-
Otomotiv: Süspansiyon burçları, lastikler, motor takozları.
-
Havacılık: Amortisörler, contalar.
-
Enerji: Sızdırmazlık elemanları.
-
Tıp: Kalp kapakçıkları, silikon implantlar.
-
Elektronik: Titreşim izolatörleri.
11) Sık Yapılan Hatalar
-
Deneysel verileri kullanmadan model seçmek.
-
Yanlış model seçimi (örneğin büyük deformasyonlarda Neo-Hookean).
-
Mesh yoğunluğunu yetersiz seçmek.
-
Nonlinear geometry seçeneğini işaretlememek.
12) Doğrulama Stratejileri
-
Simülasyon sonuçları mutlaka deneysel testlerle kıyaslanmalı.
-
Kuvvet–yer değiştirme eğrileri uyumlu olmalı.
-
Farklı yükleme türlerinde (çekme, basma, kayma) doğrulama yapılmalı.
Sonuç
Hyperelastic modeller, kauçuk ve kauçuk benzeri malzemelerin analizinde gerçekçi sonuçlar elde etmenin tek yoludur. ANSYS Workbench, farklı matematiksel modelleri ve deneysel veri fit fonksiyonlarını sunarak güvenilir simülasyonlar yapılmasına imkân tanır.
Doğru uygulandığında:
-
Lastik parçaların ömrü doğru tahmin edilir,
-
Enerji sönümleme özellikleri gerçekçi hesaplanır,
-
Deneysel sonuçlarla yüksek uyum sağlanır.
Yanlış uygulandığında ise malzeme davranışı hatalı modellenir ve tasarımlar güvenilmez hale gelir. Sonuç olarak, hyperelastic malzeme modellemesi, kauçuk bazlı mühendislik ürünlerinde başarının anahtarıdır.