A hybrid sem-bem approach for hydroelastic vibration analysis of laminated composite plates
Lamine kompozit levhaların hidroelastik titreşim analizi için hibrit sem-bem yaklaşımı
- Tez No: 1000041
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ERDEN YILDIZDAĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Titreşim analizi, Yapı-akışkan etkileşimi, Vibration analysis, Structure-fluid interaction
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, kısmen akışkan ile temas halinde bulunan lamine kompozit plakaların hidroelastik titreşim davranışlarını incelemek amacıyla geliştirilen yeni bir hibrit spektral eleman–sınır eleman yöntemi (SEM–BEM) yaklaşımını kapsamlı biçimde ele almaktadır. Çalışmanın temel amacı, akışkan-yapı etkileşimi altında çalışan kompozit plakaların dinamik karakteristiklerinin yüksek doğruluk ve hesaplama verimliliği ile belirlenebilmesini sağlayacak bir hesaplama yöntemi geliştirmektir. Bu bağlamda, hidroelastisite teorisi temel alınarak, yapının hem vakum koşulunda hem de akışkan ile etkileşim halinde sergilediği titreşim özellikleri ayrıntılı biçimde incelenmiştir. Hidroelastisite kavramı, elastik bir yapının titreşimi sırasında çevresindeki akışkan ortam tarafından oluşturulan basınç alanları ile yapının elastik tepkisi arasındaki karşılıklı etkileşimi tanımlamaktadır. Bu etkileşim, yapının dinamik davranışında belirgin değişimlere yol açmakta; özellikle doğal frekansların azalması, mod şekillerinin değişmesi ve sistemin genel titreşim karakterinin farklılaşması gibi sonuçlar doğurmaktadır. Söz konusu etkiler, yapının akışkan ile temas yüzeyinin artması, akışkan yoğunluğunun yükselmesi ve yapının esnekliğinin artması gibi durumlarda daha da belirgin hale gelmektedir. Bu nedenle hidroelastik titreşimlerin doğru biçimde modellenmesi, mühendislik tasarımlarında güvenlik, dayanıklılık ve servis performansı açısından kritik bir gereklilik olarak ortaya çıkmaktadır. Günümüzde gemi inşaatı ve açık deniz yapıları alanlarında tasarlanan birçok yapı, çalışma koşulları gereği sürekli olarak akışkan ortam ile etkileşim halindedir. Gemi gövdeleri, güverte plakaları, açık deniz platformlarının döşeme ve panelleri ile sualtı yapıları bu kapsama giren başlıca örneklerdir. Bu tür yapılarda akışkan-yapı etkileşiminin ihmal edilmesi, dinamik davranışın eksik veya hatalı değerlendirilmesine neden olabilmektedir. Özellikle rezonans koşullarının yanlış öngörülmesi, yorulma hasarlarının beklenenden daha erken oluşması ve titreşime bağlı konfor problemleri, mühendislik uygulamalarında ciddi sonuçlar doğurabilmektedir. Kompozit malzemeler, sahip oldukları yüksek dayanım-ağırlık oranı, korozyona karşı dirençleri ve tasarlanabilir mekanik özellikleri sayesinde modern deniz yapılarında giderek daha yaygın biçimde kullanılmaktadır. Lif takviyeli lamine kompozit plakalar, lif yönelimi, katman sayısı ve dizilişi gibi parametreler aracılığıyla farklı yükleme ve çalışma koşullarına uygun hale getirilebilmektedir. Bu durum, kompozitlerin özellikle yüksek hızlı tekneler, hafif açık deniz platformları, denizaltılar ve özel amaçlı sualtı araçları gibi uygulamalarda tercih edilmesini sağlamaktadır. Bununla birlikte, bu malzemelerin anizotropik ve katmanlı yapısı, dinamik analizlerde önemli karmaşıklıklar yaratmakta ve klasik izotropik kabullere dayanan yöntemlerin doğruluğunu sınırlamaktadır. Hidroelastik titreşim problemlerinin çözümünde yaygın olarak kullanılan geleneksel yöntemlerin başında sonlu elemanlar yöntemi (FEM) gelmektedir. FEM, karmaşık geometrilerin ve heterojen malzeme özelliklerinin modellenmesinde güçlü bir araç olmakla birlikte, akışkan alanı için hacimsel ağ gerektirmesi özellikle sınırsız veya yarı sınırsız akışkan ortamların analizinde yüksek hesaplama maliyetlerine yol açmaktadır. Bu durum, hem bellek gereksinimlerini hem de çözüm sürelerini önemli ölçüde artırmaktadır. Bu nedenle pratik mühendislik uygulamalarında daha verimli ve hesaplama açısından daha ekonomik yöntemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu noktada sınır elemanlar yöntemi (BEM), akışkan problemlerinde önemli avantajlar sunmaktadır. BEM, yalnızca akışkan-yapı arayüzeyinin bir ağ yapısı gerektirdiğinden, sınırsız akışkan ortamlarının modellenmesinde büyük bir kolaylık sağlamaktadır. Yüksek doğruluk ve hesaplama verimliliği sunan bu yöntem, özellikle hidroelastik problemlerde akışkan basınç alanlarının hesaplanmasında etkin biçimde kullanılmaktadır. Ancak BEM, yapısal analizlerin tek başına yürütülmesi için yeterli değildir ve bu nedenle genellikle başka yöntemlerle birlikte kullanılması gerekmektedir. Literatürde bu gereksinimi karşılamak amacıyla geliştirilen FEM–BEM hibrit yaklaşımları, akışkan ve yapı alanlarının ayrı yöntemlerle modellenmesine olanak tanımıştır. Bununla birlikte, bu tür hibrit yöntemler çoğu zaman yüksek serbestlik derecesi, karmaşık matris yapıları ve uzun hesaplama süreleri gibi dezavantajlar barındırmaktadır. Bu çalışmada, söz konusu sınırlamaların aşılması amacıyla, FEM'in geometrik esnekliğini koruyan ancak yüksek mertebeli şekil fonksiyonları sayesinde çok daha hızlı yakınsama sağlayan spektral elemanlar yöntemi (SEM) ile BEM'in avantajları bir araya getirilmiştir. SEM, klasik sonlu eleman yaklaşımına kıyasla daha az sayıda eleman kullanarak yüksek doğrulukta sonuçlar elde edilmesine olanak tanımaktadır. Bu özellik, özellikle titreşim ve dalga yayılımı problemlerinde büyük bir avantaj sağlamaktadır. Lamine kompozit plakaların hidroelastik titreşim analizi gibi hassas problemlerde, SEM'in sağladığı bu üstünlükler hem hesaplama verimliliğini artırmakta hem de yüksek frekanslı modların güvenilir biçimde belirlenmesine imkân tanımaktadır. Bu tez kapsamında geliştirilen SEM–BEM hibrit yaklaşımı, iki temel analiz aşaması üzerinden ele alınmıştır. İlk aşamada gerçekleştirilen vakum analizde, akışkan-yapı etkilerinden bağımsız olarak vakum ortamda değerlendirilmiş ve doğal frekanslar ile mod şekilleri belirlenmiştir. Bu aşama, yapının temel dinamik karakteristiklerinin anlaşılması açısından referans niteliği taşımaktadır. İkinci aşamada ise ıslak analiz gerçekleştirilmiş ve yapının çevresindeki akışkan ortamın etkileri BEM aracılığıyla modele dahil edilmiştir. Bu sayede akışkan-yapı etkileşimi sonucunda ortaya çıkan ek kütle etkileri dikkate alınarak, yapının ıslak ortam koşullarındaki dinamik tepkisi ayrıntılı biçimde ortaya konulmuştur. Geliştirilen yöntemin doğruluğu ve güvenilirliği, literatürde yer alan analitik çözümler ve deneysel verilerle karşılaştırmalar yapılarak doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, SEM–BEM hibrit yaklaşımının hem doğruluk hem de hesaplama verimliliği açısından güçlü bir alternatif sunduğunu göstermektedir. Ayrıca parametrik analizler aracılığıyla farklı katman dizilimleri, sınır koşulları ve akışkan derinliği oranlarının hidroelastik titreşim davranışı üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmiştir. Bu analizler, kompozit plakaların dinamik tepkisinin yalnızca yapısal özelliklere değil, aynı zamanda akışkan ile olan etkileşim derecesine de son derece duyarlı olduğunu ortaya koymuştur. Sonuç olarak bu çalışma, lamine kompozit plakaların hidroelastik titreşim analizinde SEM–BEM hibrit yaklaşımının güçlü, güvenilir ve hesaplama açısından verimli bir yöntem olduğunu göstermektedir. Geliştirilen yaklaşım, yapısal tasarımın erken aşamalarında güvenilir dinamik tahminler yapılmasına olanak tanıyarak hem tasarım maliyetlerinin düşürülmesine hem de yapı güvenliğinin artırılmasına katkı sağlamaktadır. Bu yönüyle çalışma, yalnızca hidroelastisite alanına teorik bir katkı sunmakla kalmamakta, aynı zamanda gemi inşaatı, açık deniz yapıları ve sualtı mühendisliği uygulamalarında pratik mühendislik faydaları da sağlamaktadır. Elde edilen bulgular, modern deniz yapılarının daha hafif, daha dayanıklı ve daha verimli biçimde tasarlanmasına yönelik önemli bir adım olarak değerlendirilebilir.
Özet (Çeviri)
This study examines the hydroelastic vibration behavior of laminated composite plates that are partially in contact with a surrounding fluid by employing a new developed hybrid spectral element method–boundary element method (SEM–BEM) formulation. The analysis is conducted within the study of linear hydroelastic theory, where the structural vibrations and the associated fluid–structure interaction effects are assumed to remain within small-amplitude limits. The motivation behind this work arises from the need for a numerical approach that can represent the coupled dynamic behavior of composite plates in a reliable manner, while maintaining a computational effort that remains practical for engineering-oriented analyses. Within the proposed formulation, the structural response of the laminated composite plate is described using the spectral element method. Due to its high-order interpolation capability, SEM enables the vibration characteristics of the structure to be captured accurately using a relatively small number of elements. The surrounding fluid domain is assumed to be unbounded and is modeled using the boundary element method, which allows the hydrodynamic effects to be incorporated without the need for volumetric fluid meshing. Through the hybrid use of SEM and BEM, the developed formulation benefits from the complementary strengths of both methods in addressing fluid–structure interaction problems. The numerical procedure adopted in this study consists of two main stages, namely dry and wet analyses. In the dry analysis stage, the natural frequencies and corresponding mode shapes of the composite plate in vacuo are first obtained using the SEM formulation, providing a reference structural response. In the subsequent wet analysis stage, the interaction between the vibrating structure and the surrounding fluid is introduced through BEM based calculations. The performance of the hybrid SEM–BEM formulation is evaluated through a series of numerical examples involving different immersion conditions and vibration modes. The obtained results are compared with solutions generated using ANSYS® Mechanical™ as well as with reference data available in the literature. In general, a close agreement is observed across the examined cases, indicating that the proposed hybrid approach is capable of capturing the essential hydroelastic characteristics of laminated composite plates. While minor deviations become noticeable for higher-order modes and increased fluid involvement, the overall results suggest that the hybrid SEM–BEM formulation provides a balanced compromise between numerical accuracy and computational efficiency, making it suitable for hydroelastic vibration analysis of composite plates in marine and related engineering applications.
Benzer Tezler
- Gemi yapılarının vibro-akustik yaklaşımı ile titreşim ve akustik açısından optimum hale getirilmesi
Acquiring vibrationally and acoustically optimum ship structure through the vibroacoustic methodology
MEHMET AVCU
Doktora
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL AHMET GÜNEY
- Synthesis and optimization of the transition metal boride nanoparticles and their possible magnetic/hybrid composite applications
Başlık çevirisi yok
SINA KHOSHSIMA
Doktora
İngilizce
2020
Metalurji MühendisliğiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SUAT SOMER
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE BALCI
- Transferrin saflaştırılması için manyetik immünoafinite mikrokürelerin hazırlanması
Preparation of magnetic immunoaffinity microbeads for transferrin purification
DİLARA SAÇLIGİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
BiyokimyaHacettepe ÜniversitesiBiyokimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERAP ŞENEL
PROF. DR. HANDAN YAVUZ ALAGÖZ
- Glioblastoma tedavisinde kombin ilaç yüklü katmanlı nanolif yüzeylerin tasarımı ve kullanılabilirliğinin analizi
Design and analysis of usability of combined drug loaded layered nanofiber surfaces in glioblastoma treatment
MELİS ERÇELİK
Doktora
Türkçe
2024
GenetikBursa Uludağ ÜniversitesiTıbbi Biyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERRİN TUNCA
- Heterohalkalı tiyazolo tiyazol bileşiklerininsentezi ve spektroskopik özellikleri
Synthesis and spectroscopic properties of heterocyclic thiazolo thiazole compounds
HİKMET BURCU GÜNESER