Statik Analiz, bir sistem veya yapının zamana bağlı ivmeli hareketleri göz ardı edilerek, sadece dış yükler (kuvvetler, basınç, momentler) ve sınır koşulları altında nasıl davrandığını bir analiz türüdür.

Bu blogumuzda merdiven tasarımı üzerinden SOLIDWORKS bünyesinde statik analiz nasıl gerçekleştirebileceğimizi inceleyeceğiz. Ama ilk etapta bir statik analizin temel ilkelerini ve analiz sonucunda hangi sonuçları aldığımızı inceleyelim.

Statik Analizin Temel İlkeleri

Statik analizler, Newton’un Hareket Yasaları ve Denge Denklemleri temel alınarak gerçekleştirilmektedir;

• Kuvvet Dengesi: Bir sistem dengede ise toplam dış kuvvet sıfırdır.
• Moment Dengesi: Bir sistem dengede ise toplam dış moment sıfırdır.
• Gerilme ve Şekil Değiştirme İlişkileri: Malzemenin elastik veya plastik deformasyon davranışı göz önüne alınır.

Statik Analizde İncelenen Temel Büyüklükler

• Gerilme (σ): Birim alan başına düşen iç kuvvet.

• Şekil Değiştirme (ε): Malzemenin uzunluk değişimi oranı.

• Yer Değiştirme: Yükler altında sistemde oluşan deformasyon.

Sonuç olarak statik analiz gerçekleştirerek; binaların, köprülerin, iskele sistemlerinin, taşıyıcı platformların, konstrüksiyon yapıların ve birçok sabit yük altında kalan sistemlerin, mukavemet hesaplamalarını, bağlantı elemanlarının dayanım testlerini, yük taşıma kapasitelerini ve yük altındaki davranışlarını inceleyebilmekteyiz.

Merdiven tasarımı örneğimiz üzerinden SOLIDWORKS ile birlikte analiz adımlarımızı sırasıyla inceleyelim.

• Malzeme atamaları,
• Bağlantı elemanlarının tanımlanması,
• Temas setlerinin oluşturulması,
• Fikstürlerin tanımlanması,
• Yüklerin tanımlanması

1) Malzeme Atamaları

Gerçek yaşam koşullarının bilgisayar ortamında testlerini gerçekleştirdiğimiz analiz çalışmalarında ilk olarak tasarımımızda olan katı gövdelerin hangi malzemeden üretileceğini belirtmemiz gerekmektedir.

Her analiz türü tanımlama noktasında farklı malzeme özelliklerine ihtiyaç duymaktadır. Statik lineer analizler için malzememizin; poisson oranı, akma mukavemet değeri, elastisite modülü ve kütle yoğunluğu değerlerine ihtiyaç duymaktayız.

SOLIDWORKS ile bir analiz başlattıktan sonra açılan analiz unsur ağacında malzeme ataması yapabiliriz.

2) Bağlantı Elemanlarının Tanımlamaları

Çoklu gövdeli analizler ile çalışırken bu gövdelerin birbirleri ile olan etkileşimlerini, bağlantı davranışlarını tanımlamamız gerekmektedir. Bunun için temas setlerini veya sanal olarak cıvata, yay, pim gibi bağlantı elemanlarını kullanabilmekteyiz.

Örneğimizde merdiven platformunun korkuluklar ve ara taşıyıcı profillerini bağlamak için cıvata, merdiveni de zemine sabitlemek adına sanal duvar ve ankastre cıvata tanımlaması kullanacağız. Her bağlantı elemanı kendi davranışını analize aktaracak özellikler ile özelleştirilmektedir. Bir cıvata bağlantısı için eş merkezli delikler için bu tanımlama yapılabilmektedir.

Cıvatanın konumlamasını belirledikten sonra baş çapı, nominal sap çapı değerleri ile boyutlarını özelleştirebilmekteyiz. Malzeme ve mukavemet verileri de programa tanıtabilmekteyiz.

Dilersek eksenel kuvvet veya tork değeri ile ön yükleme miktarını ve somon altı sürtünme katsayısı değeriyle cıvata somon bağlantısının davranışını analizlerimize dahil edebilmekteyiz.

3) Temas Setlerinin Oluşturulması

Bağlantı elemanlarını kullanarak birbirinden bağımsız olan katı gövdelerin bağlantı davranışlarını tanımlamış olduk.

Son olarak bağlantı elemanları dışında kalan yüzeysel temas etkileşimlerini oluşturmamız gerekmektedir. Simülasyon unsur ağacından Bağlantılar -> Yerel etkileşim komutuyla etkileşimlerimizi tanımlayabiliriz.

Merdiven örneğimizde bütün katı gövdelerimiz birbirine cıvata bağlantısı ile bağlandığından dolayı çakışık olan bütün yüzeyler için temas etkileşimi tanımlayacağız. Dilersek bu etkileşimler arasına sürtünme katsayısı da ekleyebilmekteyiz.

4) Fikstürlerin Tanımlanması

Bağlantı elemanlarımızı ve yerel etkileşimlerimizi tanımladıktan sonra modelimizin fikstürlerini sabitleme bölgelerini tanımlamamız gerekmektedir. Örneğimizde merdivenimizin zemine 4 yerden ankastre cıvatalar ile sabitlenmektedir.

Bu tanımlamayı yapmak için öncelikle Sanal Duvar olarak sabitlenecek zeminin özelliklerini tanımlamamız gerekiyor. Zeminimizi tanımlarken, zemin davranışını oluşturacak eksenel sertlik ve teğetsel sertlik değerlerini özelleştirebiliriz.

Daha sonrasında cıvata bağlantılarını tanımladığımız ekrandan ankastre cıvata ile sanal duvarımızı ve sabitleme deliğimizi seçmemiz gerekmektedir.

Ankastre cıvata tanımlamamız ile birlikte modelimiz belirtmiş olduğumuz parametreler ile birlikte zeminimize sabitlenmiştir. Artık yüklerin tanımlanmasına geçebiliriz.

5) Yüklerin Tanımlanması

Statik açıdan incelediğimiz merdiven modelimizde yükleme şartları olarak platformun üzerinde 80 kg bir insanın sabit durduğu ve 100 kg bir insanın da merdivenlerde korkuluklara tutunma durumunu senaryosunu modelleyeceğiz.

• Platform üzerinde durma bölgesini seçerek Harici Yükler kısmından Dağıtılmış Kütle ile 100 kg değerini giriyoruz.

• Merdivenlerde korkuluklara tutunan kişinin tanımlamasını yapmak adına uzak/yük kütle tanımlamasını kullanacağız. Uzak Yük/Kütle tanımlaması; bir modelin belirli bir noktasına veya alanına, doğrudan temas olmadan yük veya kütle eklemek için kullanılan bir harici yük türüdür. Bu özellik, özellikle karmaşık montajlarda veya dışarıdan etki eden kuvvetlerin modellenmesi gerektiğinde kullanılmaktadır. Örneğimizde de tutunma bölgelerini ve merdivenlere temas bölgelerini özelleştirerek bu bölgede duracak insanın kütle merkezi üzerinden bu yüzeylere olan etkisini modelleyeceğiz.

Son olarak yerçekimi büyüklüğünü ve yönünü tanımlayarak analizimin çözümleme işlemine geçebiliriz.

Sonuçlar

#1 Gerilme (Stress) Sonuçları

Maksimum Von Mises Gerilmesi:

• Malzemenin akma sınırına yaklaşıp yaklaşmadığını belirlemek için kullanılır.
• Von Mises gerilmesi, özellikle sünek malzemeler için önemlidir.

Ana Gerilmeler (Principal Stresses):

• Çekme ve basınç yüklerinin malzeme üzerindeki etkisini gösterir.

Kesme Gerilmeleri (Shear Stress):

• Yapının kayma etkisine maruz kaldığı bölgeleri belirlemek için incelenir.

#2 Şekil Değiştirme (Strain) ve Deformasyon

Toplam Deplasman (Displacement):

• Yapının yükler altında ne kadar yer değiştirdiğini gösterir.

Elastik Şekil Değiştirme:

• Malzeme yük kaldırıldığında eski haline dönerse, elastik bölgededir.

Plastik Deformasyon:

• Eğer malzeme kalıcı bir şekil değişikliğine uğruyorsa, plastik bölgede çalışıyordur.

#3 Emniyet Katsayısı (Factor of Safety – FOS)

Yapının yük altında ne kadar güvenli olduğunu gösterir.

FOS > 1.5 → Güvenli tasarım

FOS < 1 → Tehlikeli, malzeme akmaya başlayabilir.