Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) Nedir?

Öyle bir mesleğim var ki çoğu dostum ne olduğunu bilmiyor. Ailem anlamıyor. Zaten bir yabancıya hiç anlatamıyorum. “ARGE ile uğraşıyorum.” deyip geçiyorum. Zaten karşıdaki de ARGE kelimesinden tırsıp, nasıl araştırıp geliştiriyorsunuz diyemiyor. Malum, ARGE uzaydan gelen bir kelime.

Hal böyle olunca, ben de bu yazıyı yazma ihtiyacı hissettim. Amacım, hem ne ile uğraştığımı yazılı da olsa dile getirmek hem de internette konu (FEM) hakkında basit, Türkçe bir kaynak oluşturmak.

Efendim, ben Sonlu Elemanlar Metodu ile analiz yapan bir mühendisim. Bu cümledeki iki unsuru açıklayacağım şimdi size.

Öncelikle ‘analiz’ kelimesinden başlayalım, daha anlaşılır olduğundan. Bir mühendis, fizik, kimya gibi fen bilimlerini kullanarak hayatı kolaylaştıran yenilikler getirmeye çalışır. Ben de bir makine mühendisi olarak (veya olmaya çalışarak) yeni makineler geliştirerek insanların hayatlarını kolaylaştırma misyonuna sahibim. Ama tabii ki de bu, gayet kapsamlı bir iş olduğundan tek başınıza yapmanız oldukça zor. Bu yüzden, bir sürü alt görevler vardır.

Bir makine tasarlarken, üretimden önce tasarımınızı kontrol etmeniz gerekir. Bunlar, makinenin gerekli şartları sağlayıp sağlayamadığı veya uç limitlerini belirleme amaçlı olabilir. Mesela, bir makine olmasa da bir bahçe merdiveni tasarladığınızı düşünelim. Bu merdivenin ne kadar ağırlığa dayandığını bilmek, sizin tasarımınız için kilit bir parametredir. Bu parametreye uygun, merdivenin boyutlarını ve malzemesini belirlemeniz gerekir.

Peki bunu, nasıl yapabilirsiniz? Klasik yöntem olarak, seri üretim öncesi prototipler üretip, onların üstünde testler yapabilirsiniz. Bu yöntem, sanayi devriminin başından günümüze  kadar tüm üreticilerin uyguladığı klasik bir yöntemdir. Basit bir tasarım olan bahçe merdivenin de, kompleks olan bir yolcu aracının da mutlaka prototipleri üretilir ve gerekli testler yapılır.

Son 30-40 yılda ise başka bir yöntem geliştirildi ki bu yazı bunu anlatmaktadır. Geçmişi aslında 1942’ye kadar dayanan Sonlu Elemanlar Metodu (Finite Element Method/FEM), sanal ortamda (bilgisayarda) tasarımınıza istediğiniz senaryoyu uygulayıp test etmenizi sağlıyor. Bunun için öncelikle, tasarımınızı bilgisayarda 3 boyutlu çizmeniz gerekiyor (veya ‘geri mühendislik’ yöntemiyle tasarımı tarayıp sanal ortama aktarabilirsiniz).

Metodun özelliği burada başlıyor. Bildiğiniz üzere, dünyadaki herhangi bir nesnede sonsuz nokta bulunur. İşte bu metod, tasarımdaki sonsuz noktayı sonlu adete indirgeyerek işe başlıyor. Buna ‘meshleme’ deniliyor. Mesela, bahçe medivenindeki sonsuz noktayı, geometrik şeklini bozmayacak şekilde sonlu noktayla temsil edebilirsiniz. Bu indirgenen noktalara ‘düğüm noktası (node)’ denilir. Bu düğüm noktalarını birleştirip 3, 2 veya 1 boyutlu şekiller oluşturulur, bunlara da ‘eleman (element)’ denir.

Böylece tasarımınızın sonlu elemanlar modeli hazırlanmış olur. Bu modele, gerekli parametreleri girip istenen testi bilgisayarda yapabilirsiniz. Mesela bahçe  merdivenini bir boyutlu (çizgi şeklinde) elemanlarla modelleyip, kullandığınız malzemeyi modele  girdikten sonra; merdivenin bir duvara belli bir açıda yaslandığını düşünerek hangi basamağının ne kadar ağırlık altında kırıldığını analiz edebilirsiniz.

Bunu gerçek hayatta yapabilmek için, test başına merdiven üretmek zorundasınız. Bu da maliyet ve işçilik demektir. Halbuki bilgisayarda tek bir sonlu eleman modeliyle istediğiniz kadar test yapabilirsiniz, ek bir ücret ödemeden (Tabii bir sonlu eleman modeli oluşturmanın da fiziksel olmasa da bir maliyeti var). Bir merdiveni, çeşitli malzemelerle, çeşitli açılarda test edip tasarımınızı sanal ortamda geliştirebilirsiniz.

Belki bir merdivende veya bir hesap makinesi gibi basit bir makinede sonlu elemanlar kullanmak pratik ve ekonomik olmayabilir. Otomotiv sanayi, uçak/uzay sanayi, savunma sanayi, makine sanayi gibi kompleks ve pahalı makineler üreten sanayilerde kaçınılmaz olarak kullanılmaktadır. Çünkü bir uçağın maliyetini ve bunun test maliyetini düşündüğünüzde (milyon doları geçiyor), bu testi sanal ortamda yapmanın avantajları saymakla bitmiyor. Mesela bir uçağın çakıldığındaki durumunu rahatlıkla simüle edebilirsiniz, FEM ile.

Ben ise son zamanlarda otomotiv sanayinde FEM analizleri yapıyorum. Bir taşıt için birkaç çeşit analiz türü vardır. Bunlar:

  • Dayanıklılık: Aracın tümünün veya bir bölümünün sağlamlığını kontrol eden analizler. Mesela aracın süspansiyon sisteminin hangi yüklemelerde nasıl tepki vereceği hesaplanır.
  • Güvenlik: Yolcuların güvenliği ile ilgili analizler. Mesela araç, belli bir hızda duvara çarparsa aracın alacağı şekil ve bu sürede aracın şekil değiştirme yörüngesi incelenir
  • Yorulma: Aracın parçalarının kabaca ömrü hesaplanır. Bu analizlerde çıkan zayıf bölgeler güçlendirilir.
  • Ses ve titreşim (NVH) : Yolculara gelen titreşim ve sesleri öngörülen seviyelerde tutmak için yapılır. Mesela, şoförün kulağına gelen ses basıncı hesaplanır. Ben şu anda bu tür analizlere yoğunlaştım, zaten şirkette de NVH takımındayım. (Bu maddeyi ayrı bir yazı ile detaylandıracağım.)

İşte Sonlu Elemanlar Metodu’nu en basit haliyle böyle açıklayabilirim. Benim işim, bu metodu kullanarak analiz yapıp çıkan sonuçları yorumlamak. Böylece tasarımın, genel durumunu öğreniyoruz, zayıf bölgelerini tespit ediyoruz, bu bölgeleri güçlendirmek küçük tasarımlar yapıp bunların da analizlerini yapıyoruz ve en sonunda tüm bunları raporlayıp gerekirse sunuyoruz. Bu süreçte, tüm aşamalardan ben sorumlu oluyorum.

 

Kaynak: https://artunbotke.com/2012/02/25/sonlu-elemanlar-analizi-fea-nedir-ben-ne-is-yapiyorum/