Analysis and optimization of elastic behavior of cutting cylinder used in recycling machines with parametric correlation method

Abstract

In this study, design and parametric optimization of the field operating conditions of thick-walled cylinder used in the EM1600 inclined shear was achieved. Three-dimensional solid model of thick-walled cylinder which was designed and simplified in SolidWorks software, was transferred to ANSYS software for finite element analysis. The analysis of thick-walled cylinder was achieved according to the temperature and pressure parameters of inclined shear in plants. As a result of the analysis, radial, axial and hoop stresses and total deformation results in thick-walled cylinder were obtained. To calculate elastic behaviour of the cylinder, von Mises equivalent stress was additionally calculated using these three stresses. In this study, the temperature and pressure parameters of hydraulic oil employed in cylinder of inclined shear were selected as input parameters. In addition, total deformation, von Mises equivalent stress, and cutting force supplied by inclined shear cylinder were defined as output parameters. With the use of these parameters, a multi-objective optimization was performed in ANSYS with the help of Parametric Correlation. Total deformation and von Mises equivalent stress were defined as the constraints and the minimum values of these parameters were requested. Conversely, shear force was chosen as the target, and the maximum force value was requested. Optimum temperature was yielded as 42.94 oC, and optimum pressure was yielded as 34.73 MPa for maximum shear force: 7.9 x 106 N within the specified limits.

Keywords

• Recycling
• finite element method
• cutting cylinder
• design of experiments
• parametric correlation
• optimization

Geri dönüşüm makinelerinde kullanılan kesme silindirinin elastik davranışının parametrik korelasyon yöntemi ile analizi ve optimizasyonu

Abstract

Bu çalışmada EM1600 eğik makasta kullanılan kalın duvarlı kesme silindirinin sahadaki çalışma koşullarının tasarımı ve parametrik optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. SolidWorks yazılımında tasarımı yapılan eğik makasın kesme silindirinin üç boyutlu katı modeli basitleştirilerek sonlu elemanlar analizlerinin yapılması için ANSYS yazılımına aktarılmıştır. Kalın duvarlı kesme silindirinde kullanılan hidrolik yağın sıcaklık ve basınç parametrelerinin sahadaki çalışma şartları değerlerine uygun olarak analizler yapılmıştır. Analiz sonucunda kesme silindirinin kalın duvarında oluşan radyal gerilme, eksenel gerilme ve teğetsel gerilme ile toplam şekil değiştirme değerleri bulunmuştur. Bu üç gerilme değeri kullanılarak kesme silindirinin elastik davranışını belirlemek için von Mises eşdeğer gerilme değeri hesaplanmıştır. Bu çalışmada girdi parametresi olarak kesme silindirinde bulunan hidrolik yağın sıcaklık ve basınç değerleri seçilmiştir. Bununla birlikte çıktı parametresi olarak von Mises eşdeğer gerilmesi ile toplam şekil değiştirme ve kesme silindirinin sağladığı kesme kuvveti tanımlanmıştır. Bu parametreler kullanılarak, Parametrik Korelasyon Yöntemi ile ANSYS yazılımında çok amaçlı optimizasyon işlemi yapılmıştır. Bunun için toplam şekil değiştirme ve von Mises eşdeğer gerilme değerleri kısıt olarak belirlenmiş ve bu parametrelerin en küçük değerlerinin bulunması amaçlanmış, kesme kuvveti çıktı parametresi ise hedef olarak belirlenmiş ve en büyük değerinin bulunması amaçlanmıştır. Kesme kuvvetinin belirlenen sınırlar içinde kalan en büyük değeri olan 7.9 x 106 N için yapılan optimizasyon çalışması ile en uygun sıcaklık; 42.94 oC ve basınç; 34.73 MPa olarak bulunmuştur.

Keywords

• Geri dönüşüm
• sonlu elemanlar yöntemi
• kesme silindiri
• deney tasarımı
• parametrik korelasyon
• optimizasyon

References

1. Türemen, M., Demir, A. ve Özdoğan, E., Tekstil endüstrisi için geri dönüşüm ve önemi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 25, 7, 805-809, (2019).
2. Ayyıldız, M., Çiçek, A. ve Kara, F., Bilgisayar destekli tasarımda parametrik dişli çark uygulamaları, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 2, 3, 643-651, (2010).
3. Sırmalılar, M. Y., Haktanır, M., Saklakoğlu, N. ve Eş, C., Ağır ticari araçlarda kullanılan bir volanın parametrik optimizasyon yöntemiyle tasarımının iyileştirilmesi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 10, 4, 1341-1353, (2022).
4. Sabuncuoğlu, B. ve Demirtaş, O., Helisel işleme yay sabitinin belirlenmesi amacıyla parametrik korelasyon tekniğini kullanarak bir yapay sinir ağı geliştirilmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36, 1, 105-118, (2021).
5. Gündoğdu T., Kalıcı mıknatıslı vernier makinaların parametrik analizi, Politeknik Dergisi, 27, 3, 1169-1188, (2024).
6. Asker, M. ve Günerhan, H., Faz değişim malzemeli ısı değiştirici üzerine parametrik bir çalışma, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 31, 3, 555-565, (2016).
7. Aydın, Y. N., Korkut, T. B., Özaydın, O., Armakan, E., Sarı, G. ve Gören, A., Solaris 10 güneş arabası jantının deneysel ve teorik modal analizi ve elektrikli araç jantının parametrik tasarım ile hafifleştirilmesi, Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 23, 68, 689-699, (2021).
8. Özden, O. B. ve Gökçe, B., Sonlu elemanlar yöntemi ve Taguchi metodu kullanılarak bir kara aracının parametrik olarak optimum tasarımının geliştirilmesi, Dicle University Journal of Engineering, 14, 2, 305-313, (2023).

9. Celen, A. ve Kaba, M. Y., Elektrikli araçlarda kullanılan silindirik lityum iyon bataryaların soğutulmasının parametrik incelenmesi, Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 33, 1, 49-61, (2021).
10. Kocaaslan, O., Yasa, T. ve Güleren, K. M., Türbülanslı yanma için döndürücünün parametrik çalışması, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 41, 2, 205-226, (2021).
11. Çetin, B., Basit Brayton çevriminde elektrik üretimi maliyetinin parametrik analizi, Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 29, 2, 1-8, (2017).
12. Çelik, H. ve Parlak, N., Kanatçık geometrisinin ısı geçişine etkisinin parametrik incelenmesi, International Journal of Multidisciplinary Studies and Innovative Technologies, 2, 2, 25-29, (2018).
13. Eraslan, A. N. ve Apatay, T., İç yüzey sıcaklığı periyodik olarak değişen kalın cidarlı tüplerde termoelastik gerilme davranışı: analitik çözüm, 20. Ulusal Mekanik Kongresi, 728-735, Uludağ Üniversitesi, Bursa, (2017).
14. https://www.aymasmakina.com/tr/urun/em-egik-makaslar, (20.01.2025).
15. https://aymasmakina.com/upload/inclined_shear_190402102006_comp.pdf, (20.01.2025).
16. http://www.steelnumber.com/en/steel_composition_eu.php?name_id=8, (10.01.2025).
17. http://www.steelnumber.com/en/equivalent_steel_iron_eu.php?zname_id=128, (10.01.2025).
18. Apatay, T. ve Eraslan, A. N., Periyodik olarak sönümlenen iç ısı üretimi etkisindeki silindirin akma davranışı, XIX. Ulusal Mekanik Kongresi, 91-96, Trabzon, (2015).
19. Eraslan, A. N., Apatay, T. ve Varlı, E., Dış yüzey sıcaklığı zamanla değişen silindirin elastik-plastik analitik çözümü, XIX. Ulusal Mekanik Kongresi, 437-444, Trabzon, (2015).
20. Apatay, T., Eraslan, A. N. ve Çiftçi, B., Sinüzoidal değişen iç ısı üretimi etkisindeki silindirin kısmen plastik analitik çözümü, XIX. Ulusal Mekanik Kongresi, 97-104, Trabzon, (2015).
21. Apatay, T. ve Eraslan, A. N. Analyses of elastic limit heat loads in thick walled tubes subjected to periodic surface temperatures: analytical treatment, Archives of Mechanics Kongresi, 37-53, Warszawa, (2018).
22. Kandil, A., El-Baghdady, A. ve El-Shenawy, M., Analytical and finite element stress analysis of pressure vessels under constant and cyclic loading, Port Said Engineering Research Journal, 17, 2, 1-11, (2013).
23. Öğüçlü, Ö., Geri dönüşüm makinelerinin parametrik optimizasyon yöntemleriyle yapısal tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, İzmir Bakırçay Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, İzmir, (2024).
24. Emerson, W. R., Causation and Pearson's correlation coefficient, Journal of Visual Impairment & Blindness, 36, 3, 242-244, (2015).
25. ASME Boiler and pressure Vessel Standards, Section VIII, Division 2, (2023).