ASELSAN, NUMESYS-ANSYS İş Birliği ile Sektörün Kullanımına Sunulan Mühendislik Yazılımı Çözümleri ile Yaptıklarını, USMOS Konferansı’nda Anlattı

MSI Dergisi’nin 188’inci sayısında yayımlanan Tanıtıcı Makale, derginin internet sitesinde paylaşılmıştır:

Türkiye’de, ANSYS’in tek Elite Channel Partner’i konumunda olan NUMESYS, savunma ve havacılık sektörüne, ANSYS’in, bilgisayar destekli mühendislik alanında önde gelen çözümlerini sunuyor. Bu çözümlerden yararlanan firmalardan biri de ASELSAN. ASELSAN, NUMESYS’in sağladığı ANSYS çözümlerinin yanı sıra firma tarafından sağlanan fiziksel eğitim, NUMESYS Learning Portal ve Türkçe ücretsiz webinar gibi hizmetlerinden de yararlanıyor. ASELSAN mühendisleri, uzaktan komutalı silah sisteminde kullanılan ateşleme solenoidinin elektromanyetik benzetimini, NUMESYS’ten satın aldıkları ANSYS Elektronik Çözümleri ile nasıl gerçekleştirdiklerini, 19-20 Kasım tarihlerinde, Ankara’da düzenlenen 8. Ulusal Savunma Uygulamaları Modelleme ve Simülasyon (USMOS)  Konferansı’nda sundukları ve aşağıda özeti yer alan bildiri ile anlattılar.

UZAKTAN KOMUTALI SİLAH SİSTEMİNDE KULLANILAN ATEŞLEME SOLENOİDİNİN ELEKTROMANYETİK BENZETİMİ

• GİRİŞ

Savunma sanayinde silah sistemlerinin uzaktan kontrolü üzerinde çalışmalar yoğunlukla sürdürülmektedir. Uzaktan komutalı silah sistemleri ile silah kullanımında ve ateşlemesinde insan faktörü minimuma indirgenerek, silah sistemlerinin hedefe odaklanarak atış görevini yerine getirmektedir. Bu sistemlerde solenoid adı verilen yapılar sıklıkla kullanılmaktadır.

Solenoid, elektrik enerjisi ile doğrusal hareket elde etmek için kullanılan elektromekanik bir yapıdır. Solenoid bobinine uygulanan gerilim solenoidin elektromanyetik devresinde manyetik akı yoğunluğu indükleyerek, solenoid içerisindeki piston üzerinde elektromanyetik kuvvet oluşturur. Elektromanyetik kuvvet, bobin gerilimine, direncine, sargı sayısına, manyetik devreyi oluşturan malzemelerin ferromanyetik özelliklerine, solenoid içerisindeki manyetik boşluğa, piston ve gövde geometrisine bağlıdır. Solenoid tasarımında manyetik devredeki doyumun kuvveti sınırlandırmaması için analiz edilmesi gerekmektedir. Piston geometrisi solenoidin hareketi boyunca uygulayacağı kuvvet değerini etkilemektedir.

Solenoid manyetik devresinin her noktası özelinde analtik çözüm veya hesaplama yapmak mümkün olmadığı içi nümerik yöntemlerden Sonlu Elemanları Metodu (Finite Element Method, FEM) ile ANSYS Maxwell yazılımında elektromanyetik analizler gerçekleştirilmektedir. Böylece prototip ve üretim öncesinden analizler gerçekleştirilerek en uygun tasarım ve bilgiler elde edilmesi sağlanmaktadır.

• SOLENOİD YAPISI VE UYGULAMA ALANLARI

Solenoidler düz pistonlu ve konik pistonlu olarak tasarlanabilir. Şekil 2’de düz pistonlu ve Şekil 3’te konik pistonlu solenoidlerin bileşenleri gösterilmiştir.

Endüstride birçok amaç için kullanılan elektromanyetik solenoidler, savunma sanayinde uzaktan komutalı silah sistemlerinde, silahın ateşlenmesinde yoğunlukla kullanılmaktadır. Silah sistemin mekanik özelliklerine, uygulanacak kuvvetlere ve itme veya çekme özelliğine bağlı olarak solenoid tasarımlara özelleştirilip ihtiyaca göre özgün tasarımlar yapılabilmektedir.  Solenoidler sistemlerde sadece tetik düşümünde kullanılmamakta, sistemlerdeki mekaniklerin ayrılmasında, kilitlemelerde de kullanılabilmektedir.

Tasarımda ihtiyaç duyulan boyutlara, tetik düşümü için kullanılacak mekaniği çekmek veya itmek için gerekli olan kuvvetlere bağlı olarak solenoidler tasarlanır. Kuvvetlerin elde edilmesini sağlayan solenoid manyetik devresi bobin, piston, piston yuvası ve dış gövdeden oluşmaktadır. Solenoid pistonu ile piston yuvası arasındaki boşluk üzerinde oluşacak olan kuvvet, hava boşlunda oluşacak olan manyetik akı yoğunluğuna ve pistonun kesit alınana bağlıdır [1]. Solenoidlerin itilmesi veya çekilmesi için gerekli olan kuvveti hesaplamak için kullanılan yayın net kuvvetinin de bilinmesi gerekmektedir. Solenoid net kuvvetinin hesaplanması için yay kuvveti manyetik kuvvetten çıkartılmalıdır. Manyetik akı yoğunluğu solenoid bobininin tur sayısına, uygulanan akıma ve hava boşluğunun uzunluğuna bağlıdır [2], [3]. Ayrıca solenodin manyetik devresinde manyetik olarak saturasyon oluştuğunda, bu durum manyetik akı yoğunluğunu sınırlayacağı için manyetik kuvvet hesaplanandan daha düşük olacaktır. Manyetik devrede doyum olup olmadığının kontrolü ANSYS Maxwell yazılımı kullanılarak elde edilebilmektedir. Böylece tasarım ve prototip aşamasından önce solenoidin gerekli kuvvet değerlerini sağlaması analizlerle gerçekleştirilebilmektedir.

• KONİK PİSTONLU SOLENOİDİN MANYETİK KUVVET ve MANYETİK AKI YOĞUNLUĞU ELEKTROMANYETİK ANALİZLERİ

Solenoidlerde çekme veya itme kuvvetini artırmak için konik pistonlu olarak tasarlanabilir. Konik pistonlu solenoidlerde teorik ve analitik olarak net bir kuvvet hesabı yapılamadığı için ANSYS Maxwell yazılımı ile analizler gerçekleştirilerek istenilen manyetik akı yoğunluğu ve kuvvet değerleri elde edilmelidir.

Konik pistonlu solenoidler ile pistonun kesit alanı azaltılır. Bunun yanında kesit alandaki manyetik akı yoğunluğu artırılmış olur. Pistona etki eden manyetik kuvvet, manyetik akı yoğunluğu ile doğru orantılı olduğu için pistona uygulanan kuvvet artırılmış olur. Bu sayede daha küçük boyutlarda daha kuvvetli solenoidler tasarlanabilir. Burada en önemli nokta piston kesit alanı azaltılırken manyetik doyuma ulaşmamasına dikkat edilmesidir. Piston manyetik doyuma ulaştığında solenoidde sıcaklık artışı meydana gelecektir. Bu durumda uzaktan komutalı silah sistemlerinde tetik düşümü işleminde kullanılacak olan farklı koniklik açısında tasarlanmış solenoidin kuvvet analizi ANSYS Maxwell yazılımı ile gerçekleştirilerek kuvvet ve manyetik doyum göz önüne alınarak optimum solenoid tasarımı yapılmış olunur. 

Şekil 4’te görülen konik pistonlu solenoidin koniklik açısının, Tablo1’de verilen farklı değerlerindeki açı değerlerindeki solenoid tasarımlarının ANSYS Maxwell yazılımı ile analizleri gerçekleştirilerek Tablo 1’de ve Şekil 5’te gösterilen kuvvet değerleri ile  Şekil 6(a,b,c,d)’da solenoid modellerinde manyetik akı yoğunluğu dağılımları elde edilmiştir.

• 

• 

• 

• 

• SONUÇ

Konik pistonlu solenoidin ANSYS Maxwell yazılımında gerçekleştirilen analizlerinin sonuçları incelediğinde, en optimum tasarımın Analiz 2’de benzetimi yapılan solenoid olduğu görülmektedir. Bu solenoidin manyetik devresinde doyum çok sınırlı olduğu ve sağladığı kuvvetin de yeterince yüksek olduğu görülmüştür.

Dolayısıyla ANSYS Maxwell yazılımıyla gerçekleştirilen analizler sonucunda solenoidin koniklik açısı küçüldükçe pistonun kesit alanının daraldığı ve buna bağlı olarak kesit alanı azalan bölgelerde de manyetik akı yoğunluğunun ve manyetik kuvvetin arttığı görülmüştür.

Ayrıca analizlerde kullanılan malzemenin manyetik doyum değeri dikkate alınması gerektiği, malzeme doyuma ulaştığında aşırı ısınma oluşabileceği ve daha fazla kuvvet vermesi mümkün olmayacağı için optimum boyutlara karar verilmesi önemli hale gelmektedir.

Analitik olarak hesaplamamaların gerçekleştirilmesinin mümkün olmadığı durumlarda ANSYS Maxwell yazılımında nümerik çözüm yöntemiyle elektromanyetik analizleri gerçekleştirilerek optimum solenoid modelleri elde edilebilmektedir. Böylece prototip ve üretim aşamalarının öncesinde zaman, maliyet gibi parametreler optimum seviyelere çekilerek en uygun tasarımın ve modelin elde edilmesi sağlanarak önemli avantajlar elde edilmektedir.

• KAYNAKÇA

1. Vogel, O. ve Ulm, J. (2011), Theory of Proportional Solenoids and Magnetic Fore Calculation Using COMSOL Multiphysics, Proceedings of the 2011 COMSOL Conference.
2. Cardarelli, F. (2008), Materials Handbook, Springer-Verlag London Limited, 487-498.
3. Song, C.W. ve Lee, S.Y. (2015), Design of a Solenoid Actuator with a Magnetic Plunger for Miniaturized Segment Robots , Applied sciences, ISAN 2076-3417.
4. Lequesne, B. (1988). Finite-element analysis of a constant-force solenoid for fluid flow control.      IEEE Transactions on Industry Applications, 24(4), 574–581. doi: 10.1109/28.6107
5. Xiao-Qing, X., & Long, Q. (2011). A novel analysis method for proportional solenoid magnetic circuit. Proceedings of 2011 International Conference on Fluid Power and Mechatronics. doi: 10.1109/fpm.2011.6045780
6. Yoon, S.-B., Hur, J., Chun, Y.-D., & Hyun, D.-S. (n.d.). Shape Optimization of Solenoid Actuator Using the Finite Element Method And Numerical Optimization Technique. 1997 IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG97). doi: 10.1109/intmag.1997.597697
7. Mahajan, D. P., Narayanaswamy, R., & Bavisetti, S. (2013). Saw-tooth pole solenoid actuator for aerospace applications. 2013 IEEE 8th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). doi: 10.1109/iciea.2013.6566577
8. Mahajan, D. P., Narayanaswamy, R., & Bavisetti, S. (2014). Performance analysis and experimental verification of solenoid actuator. 2014 IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE). doi: 10.1109/isie.2014.6864792

 2,361 Toplam Görüntüleme,  1 Günlük Görüntüleme