Sponsor
Sponsor

Simülasyon Asansör Kaza Gizemini Çözüyor

Sponsor
Şekil 1: (lr) Fren geometrisinin bir CAD modeli; fren kampanasını, kollarını ve millerini gösteren fren balatası aşınma modeli kurulumu; karşıt yay ve solenoid kuvvetleri; ve fren balataları ile kampana arasındaki temas

Çoklu fizik simülasyonu, bir asansör freninin nasıl zamanından önce bozulduğunu araştırmak ve belirlemek için kullanılır.

Dr. Stuart Brown, Dr. Nagi Elabbasi ve Dr. Matthew Hancock tarafından

2007 yılında, yolcular çıkarken bir asansör yukarı doğru hareket etmeye başladı, bir yolcuyu sıkıştırdı ve yaraladı. Asansörü sabit tutmayı amaçlayan bir kampanalı fren arızalandı ve beklenmedik bir harekete neden oldu. Müteakip inceleme, frenin açılmasından ve kapanmasından sorumlu bir solenoidin bozulduğunu ve fren balatalarının kampanaya sürüklenmesine ve zamanından önce aşınmasına neden olduğunu ortaya çıkardı. Solenoid devreye girmediğinde, normal fren pabuçları tambura doğru iterek asansörün hareketini engellerdi. Aşırı fren pabucu aşınması, frenin tutmamasına neden olarak kazaya neden oldu. Şekil 1, frenin, kollarının altta döndürüldüğü ve kampana ile teması sürdürmek için yay yüklü olduğu bir bilgisayar destekli tasarım (CAD) modelini göstermektedir.

Asansör bakım firmaları hakkında önceki yıllarda solenoidin bozulduğuna dair delil olduğu ve onarımların yapılması gerektiği iddiasıyla suç duyurusunda bulunuldu. Soru solenoidin başarısız olup olmadığı değil, daha ziyade nasıl ve ne oranda başarısız olduğuydu.

Arıza hızlı olsaydı, kazanın tahmin edilmesi pek mümkün olmazdı. Ancak, başarısızlık yavaş bir bozulmayı içeriyorsa, belki de kaza önlenebilirdi. Birçok olası başarısızlık teorisi önerildi. Veryst Engineering, farklı başarısızlık teorilerinin geçerliliğini araştırmak için işe alındı ​​ve simülasyon, araştırmamızda çok önemli bir rol oynadı.

Solenoid Arızasının Analizi

Kazadan sonra, araştırmacılar solenoidin hasarsız bir solenoidin elektrik direncinin yaklaşık yarısına sahip olduğunu ve bu nedenle hasarsız bir solenoid ile karşılaştırıldığında daha az güç ürettiğini keşfettiler. Bu başarısızlığın nasıl meydana geldiğini açıklamak için çeşitli teoriler önerildi.

Yavaş arıza için bir teori, dirençli ısıtma nedeniyle solenoid içindeki termal genleşme ve büzülmenin, solenoid bobin içindeki tellerin yavaş, ilerleyici çatlamasına yol açan yüksek gerilimler üretmesiydi. Çatlaklar solenoidin elektromotor kuvvetini (EMF) azaltacak ve böylece fren pabucunun sürüklenmesine yol açacaktır. Bu teoriyi test etmek için, solenoidin eşleştirilmiş termomekanik stres analizini üretmek için COMSOL Multiphysics® yazılımını kullandık. Model, gerilmelerin çatlamaya neden olacak kadar büyük olmadığını gösterdi, bu nedenle dirençli ısıtmadan kaynaklanan genleşme ve büzülmenin başarısızlığın nedeni olmadığını kanıtladı.

Yavaş arıza için ikinci bir teori, EMF'nin kendisinin bobinde yüksek gerilimler oluşturması ve bunun uzun bir süre boyunca arızalanmasına neden olmasıydı. Bunu, birleştirilmiş bir elektromekanik analiz gerçekleştirerek test ettik (Şekil 2). Simülasyon yazılımı, solenoid bobin içindeki Lorentz kuvvetini hesaplamak için kullanıldı ve bobin boyunca kuvvetin pratik olarak ihmal edilebilir olduğunu gösterdi.

Buna karşılık, hızlı solenoid arızası için bir teori, solenoid içindeki lokalize ısıtmanın bitişik bobin telleri arasında kısa devre ile sonuçlanmasını şart koşuyordu. Bu teoriyi doğrudan analiz etmemiş olsak da, yukarıdaki yavaş arıza teorilerini reddeden analizimiz olası arıza modlarının alanını daralttı ve hızlı arıza senaryosuna destek verdi.

Hızlı Fren Balatası Aşınmasının Analizi

Solenoid arıza analizine ek olarak, hasarlı bir solenoidin fren balatası aşınması üzerindeki etkisini araştırdık. Kazaya karışan solenoid normal bir solenoidin gücünü oluşturamadığına göre, fren balataları da bu kadar çabuk bozulabilir miydi? Kazadan sonra, müfettişler, fren balatası aşınmasının yoğun olduğunu keşfettiler ve bu derecedeki aşınmanın kademeli olarak meydana geldiğini varsaydılar.

Hasarlı bir solenoid verildiğinde aşırı fren aşınmasının hızla meydana gelip gelmediğini test etmek için, yerel fren balatası aşınmasını hesaplamak için bilgisayar tabanlı bir fren modeli geliştirdik. Model, döner fren kolunun yanı sıra yayların ve hasarlı solenoidin karşıt kuvvetlerini içeriyordu. Ek olarak, model, araştırmacılar tarafından prototip kampana-fren balataları üzerinde gerçekleştirilen kapsamlı aşınma deneylerinden elde edilen verileri içerdi ve bu, toplu balata aşınma oranları ile fren kampanası sıcaklığı arasında ilişki kuran verilerle sonuçlandı.

Yerel bir aşınma oranı modeli geliştirmek için bu sıcaklık aşınma verilerini, fren endüstrisinde yaygın olarak kullanılan bir aşınma oranı modeliyle birleştirerek kullandık. Model, hem Yapısal Mekanik Modülü hem de fren balata yüzeylerinde tanımlanan kullanıcı tanımlı diferansiyel denklemler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Simülasyon yazılımında bulunan temas-sınır koşulu, fren balataları boyunca her noktada yerel aşınma oranını belirlemek için kullanılan model için yerel temas basıncını sağladı. Öngörülen fren balatası aşınması, temas sınırı durumunda orijinal fren yüzeyinden bir sapma belirtmek için kullanıldı, aşınma miktarının balata kalınlığına kıyasla küçük olması koşuluyla geçerli bir varsayım. Aşınma simülasyonunun girdisi, tambur sıcaklığının varsayılan bir zaman geçmişiydi. Bu aşınma modelleme yaklaşımını iki mekanik aşınma problemini simüle ederek doğruladık: disk üzerindeki pim temasından kaynaklanan aşınma ve otomotiv disk frenlerindeki aşınma.

Yazılımın Yapısal Mekanik Modülündeki temas sınır koşulu ve kullanıcı tanımlı diferansiyel denklemleri kolayca uygulama yeteneği, aşınma sürecini programlamayı basit hale getirdi ve ağ elemanı silme gibi hantal yöntemlerden kaçınmamıza yardımcı oldu. Bu tür bir analiz, başka herhangi bir sonlu eleman paketini kullanarak ya imkansız ya da engelleyici derecede zor olurdu.

Şekil 3, aşınma analizinde kullanılan sonlu eleman modelini göstermektedir. Şekil 4, testin sonunda frenlerin uzunluğu boyunca ölçülen ve tahmin edilen fren balatası aşınmasının bir karşılaştırmasını göstermektedir. Model ayrıca aşınma derinliğinin zamanla nasıl değiştiğini de tahmin etti. Aşınma simülasyonunun sonuçları, hasarlı bir solenoidin yüksek kampana sıcaklıklarına neden olabileceğini ve bunun da hızlı fren balatası aşınmasına yol açabileceğini göstermiştir.

 Başka bir deyişle, fren balatalarındaki yüksek miktardaki aşınma, solenoidin hızlı bozulmasından hızlı ve kapsamlı fren balatası aşınmasına kadar hızlı bir olaylar dizisiyle tamamen tutarlıydı. Bu hızlı arıza teorisi, kazanın yavaş süreçler içermeyen alternatif, kendi içinde tutarlı ve bilimsel olarak sağlam bir açıklamasını sağladı.

Sonuç

Simülasyonu ürün tasarımının ayrılmaz bir parçası olarak kolayca hayal edebilsek de, diğer kullanımlar da aynı derecede önemlidir. Simülasyon, farklı geometrileri kolayca içe aktarmamıza ve işlememize, birden fazla fiziği tek bir simülasyona dahil etmemize ve simülasyonlarımızla deneysel verileri içe aktarmamıza ve kullanmamıza izin vererek farklı senaryoları hızla araştırmamızı sağlayan bu araştırmaya önemli bir katkıda bulundu. Simülasyonlar, başka hiç kimsenin denemediği bir yaklaşım olan arıza senaryolarını test etmek ve değerlendirmek için verimli ve sistematik bir yol sağladı.

İlgili Etiketler
Sponsor
Sponsor
Dr. Stuart Brown, Dr. Nagi Elabbasi ve Dr. Matthew Hancock

Dr. Stuart Brown, Dr. Nagi Elabbasi ve Dr. Matthew Hancock

Dr. Stuart Brown, Boston bölgesinde bir mühendislik danışmanlık firması olan Veryst Engineering'in yönetici ortağıdır. Veryst Engineering'i kurmadan önce Brown, Boston Office of Exponent, Inc.'in direktörüydü. Bundan önce, Massachusetts Institute of Technology'de (MIT) Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü öğretim üyesiydi. Malzemelerin dayanıklılığı konusunda uzmandır ve üretim süreçlerinde danışmanlık yapmıştır ve tüketici ürünleri, elektronik ve elektrikli bileşenler ve endüstriyel ekipman konusunda teknik tavsiyeler vermektedir.

Dr. Nagi Elabbasi, Veryst Engineering'de yönetici mühendistir. Elabbasi'nin temel uzmanlık alanı, doğrusal olmayan ve çok fizikli sistemlerin modellenmesi ve simülasyonudur. Sonlu eleman modelleme konusunda geniş deneyime sahiptir ve ürün tasarımı ve performans sorunlarını çözmek için biyomedikal, nükleer, jeoteknik, inşaat, otomotiv ve tüketici ürünleri sektörlerindeki müşterilerle birlikte çalışmaktadır. Veryst'e katılmadan önce, bir sonlu eleman yazılım geliştirme firması olan ADINA'da Ar-Ge mühendisiydi. Ayrıca MIT ve Toronto Üniversitesi'nde doktora sonrası pozisyonlarda bulundu.

Dr. Matthew Hancock, Veryst Engineering'de kıdemli bir mühendistir. Hancock, mikroakışkanlar, dokulu yüzeylerin ıslatılması, yüzey gerilimi etkileri, ısı ve kütle transferi, katı-sıvı etkileşimi, dalga hareketi ve çok ölçekli analiz dahil olmak üzere akışkanlar mekaniği ve hesaplamalı modellemede kapsamlı bir geçmişe sahiptir. Nature Materials, Lab on a Chip, Small ve Biomaterials gibi dergilerde düzinelerce hakemli araştırma makalesi yazmıştır. Akademik, tıbbi ve endüstriyel ortamlarda hem proje lideri hem de model tabanlı mühendislik danışmanı olarak çalıştı. Hancock, Veryst'e katılmadan önce MIT ve Harvard Broad Institute'de misafir bilim insanı, Harvard Tıp Okulu ve Pennsylvania Eyalet Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırma görevlisi ve MIT Uygulamalı Matematik Bölümü'nde öğretim görevlisiydi.

Asansör Dünyası | Ekim 2015 Kapak

kitapçık

Sponsor

Asansör Dünyası | Ekim 2015 Kapak

kitapçık

Sponsor