Identıfıcatıon, modellıng and optımısatıon of structures wıth passıve dampıng treatments
Pasif sönümlü yapilarin karakterizasyonu, modellenmesi ve optimizasyonu
- Tez No: 350661
- Danışmanlar: PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Teorisi ve Dinamiği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 204
Özet
Sönüm malzemeleri, yapıların istenmeyen titreşimlerini ve yapılardan yayılan gürültüyü azaltmak ve kritik parçaların yorulmalarını önlemek için otomotiv, havacılık, uzay, akustik ve ev eşyaları gibi pek çok alanda kullanılırlar. Bu durum, yapıların çeşitli kısımlarına uygulanan ve genelde viskoelastik malzeme diye bilinen malzemelerin sağladığı ek sönüm ile sağlanmaktadır. Ancak, sönüm malzemelerinin kullanımı yapıya ek ağırlık ve maliyet getirdiğinden, bu uygulamaların minimum malzeme miktarı ile maksimum fayda sağlayacak şekilde optimize edilmesi gerekmektedir. Öte yandan, (genel) yapıların sönüm değerlerinin tahmini ve optimizasyonu ile ilgili zorluklardan dolayı söz konusu optimizasyon halen oldukça zor bir problemdir. Dahası, yapıların sönüm seviyelerinin optimizasyonu işlemi, sönüm malzemelerinin özelliklerinin belirlenmesi ve genel olarak yapıların sönüm değerlerinin tahmin edilmesi için güvenilir metodların kullanılmasını gerektirir. Ancak, kompozit yapıların dinamik özelliklerinin, özellikle de sönüm değerlerinin, doğru şekilde tahmini, sönüm malzemelerinin doğasından kaynaklanan lineer olmayan davranışlardan dolayı oldukça zordur. Tüm bu problem ve gereksinimleri dikkate alarak, bu tez pasif sönüm uygulamalı yapıların karakterizasyonu, modellenmesi ve optimizasyonu ile ilgili metodların geliştirilmesini ve önerilmesini ve bu konular üzerinde analitik, sayısal ve deneysel yeni çalışmalar sunmayı amaçlamaktadır. Viskoelastik veya sönüm malzemelerinin mekanik özelliklerinin deneysel yoldan belirlenmesi için Oberst kiriş metodu yaygın olarak kullanılmasına rağmen, bu metodda kullanılan temassız tahrik sisteminin istenmeyen etkilerinin ortaya konulması, modellenmesi ve azaltılması dahil olmak üzere ölçüm parametrelerinin etkileri literatürdeki mevcut çalışmalarda incelenmemiştir. Bu yüzden, tahmin edilen malzeme özelliklerinin doğruluğunun seviyesini artırmak amacıyla bir Oberst test düzeneği kullanılmış, ölçülen veriler üzerinde tahrik genliği, bağlantı şartları, tahrik türü ve test numunelerinin uzunluğu gibi parametrelerin etkileri incelenmiştir. Daha sonra, Oberst test düzeneğindeki temassız sarsıcının istenmeyen elektromagnetik etkileri literatürde ilk defa bu tez kapsamında deneysel ve teorik olarak araştırılmıştır. Bu amaçla, çok sayıda test gerçekleştirilerek elektromagnetik tahrik sisteminin istenmeyen etkileri ortaya konulmuştur. Deneysel bulgular sonucunda, Oberst kirişinin serbest ucu etrafındaki istenmeyen elektromagnetik etki yay elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Elektromagnetik etkiden kaynaklanan hatalar ortaya konulmuş, bu etkinin frekansa ve test numunelerinin uzunluğuna bağlı olarak değişimi de tezde sunulmuştur. Sonuçta, Oberst test düzeneğindeki ölçüm parametrelerinin optimize edilmesi gerektiği, Oberst kirişinin serbest ucu etrafındaki elektromagnetik etkinin sisteme ek bir kısıt getirdiği ve bu kısıtın yay elemanlarla modellenebileceği ortaya konulmuştur. Oberst çubuğunun ilk titreşim modunun elektromagnetik etkiden en fazla etkilendiği ve frekans (mod numarası) artıkça elektromagnetik etkinin (dolayısıyla malzeme özelliklerindeki hatanın) azaldığı deneysel ve teorik olarak tespit edilmiştir. Ayrıca, kısa test numunelerinin kullanılması durumunda malzeme özelliklerindeki hataların azalacağı ortaya konulmuştur. Elektromagnetik sarsıcının istenmeyen etkisini (dolayısıyla malzeme özelliklerindeki hatayı) azaltmak için, test numunesinin elektromagnetik etki altındaki kısmının kısa olması gerekmektedir. Test numunesinin elektromagnetik etki altındaki kısmının kısa tutulamaması durumunda, daha doğru malzeme özellikleri elde etmek için elektromagnetik tahrikin istenmeyen etkilerini kaldırmaya yönelik hem homojen hem de kompozit kirişler için kullanılabilecek bir metod önerilmiştir. Tüm iyileştirmelerden sonra, pasif sönüm uygulamalı yapıların teorik modellerinde kullanılacak malzemelerin sönüm ve elastik özellikleri Oberst kiriş metodu kullanılarak belirlenmiştir. Yapıların teorik modellerinin doğrulanmasında kullanılması başta olmak üzere, yapıların sönüm seviyelerinin deneysel yoldan tespit edilmesi sıkça gerekmektedir. Öte yandan, bazı durumlarda, yapıların sönüm değerlerinin belirlenmesi için kullanılan yöntemler tespit edilen sönüm değerlerinin yüksek düzeyde belirsizlik içermesi açısından güvenli olmayan cevaplar verebilirler. Bu tez kapsamında, yapıların sönüm belirsizliği üzerine sistematik bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Daha açık olarak, analizi yapılan verilerdeki gürültünün ve spektrum hesaplamasında sinyallere uygulanan üstel pencereleme fonksiyonunun sayısal sönümünün tespit edilen sönüm değerleri üzerindeki etkisi literatürde ilk defa bu tez kapsamında incelenmiştir. Öncelikle, gürültünün sönüm tahmini üzerindeki istenmeyen etkilerini değerlendirmek için çok serbestlik dereceli (sönümlü) bir sistem ele alınmış ve bu sayısal sistem için çeşitli gürültü seviyelerinde frekans tepki fonksiyonları üretilmiştir. Gürültü içeren frekans tepki fonksiyonları analiz edilerek ilgili modların sönüm değerleri tespit edilmiştir. Neticede, sönüm belirsizliği verideki gürültü düzeyinin fonksiyonu olarak ortaya konmuştur. Daha sonra, üstel pencereleme fonksiyonundan kaynaklanan sönüm belirsizliğini incelemek için örnek bir yapı üzerinden çeşitli düzeylerde sayısal sönüm içeren çok sayıda frekans tepki fonksiyonu ölçülmüştür. Ölçülen frekans tepki fonksiyonları analiz edilerek yapının toplam modal sönüm değerleri belirlenmiş ve pencereleme fonksiyonundan kaynaklanan sayısal sönümün çıkartılmasıyla gerçek modal sönüm değerleri hesaplanmıştır. Tahmin edilen sönüm değerleri gerçek sönüm değerleriyle karşılaştırılarak, sönüm belirsizliği ile üstel pencereleme fonksiyonu dolayısıyla eklenen sayısal sönüm arasında bir ilişki sunulmuştur. Sonuçta, üstel pencereleme fonksiyonu dolayısıyla eklenen sayısal sönüm değerinin sistemin gerçek sönümüne eşit ve daha fazla olması durumunda, sönümdeki belirsizliğin önemli seviyelere ulaştığı görülmüştür. Burada frekans tepki fonksiyonları üzerinden sönüm tespiti doğrusal çizgi ve eğri uydurma yöntemleri kullanılarak yapılmış ve doğrusal çizgi uydurma yönteminin daha düşük belirsizlik değerleri verdiği görülmüştür. Bu tezde sönümlü yapıların modellenmesi ile ilgili olarak iki farklı yöntem önerilmiştir. Öncelikle, modal (gerinim) enerji metoduna dayalı genel yapıları modellemeye uygun ve oldukça verimli bir prosedür sunulmuştur. Daha sonra, sönüm kabiliyetine sahip bir kompozit sonlu elemanın teorisi verilerek, bu elemanın formülasyonu sistematik bir yolla bu tez kapsamında doğrulanmıştır. Kompozit kabuk eleman, fiziksel anlamda yüzeyine dik yönde dönme serbestlik derecesine sahip homojen kabuk elemanların üst üste yığılmasıyla oluşturulmuştur. Sönüm kabiliyeti de kompleks direngenlik matrisi vasıtasıyla sağlanmıştır. Böyle bir formülasyon, sönümlü yapıların modellenmesini ve kompleks özdeğer probleminin çözülmesiyle yapıların doğal frekanslarının, sönüm değerlerinin ve kompleks titreşim biçimlerinin elde edilmesini sağlamaktadır. Modal enerji metoduna dayalı prosedürü ve kompozit eleman formülasyonunu doğrulamak için bazı test numuneleri hazırlanmış ve test numuneleri üzerinde frekans tepki fonksiyonları ölçülmüştür. Test numunelerinin hazırlanmasında kullanılan sönüm malzemelerinin özellikleri Oberst kiriş metodu kullanılarak belirlenmiş, modal enerji metoduna dayalı sönüm tahmini yönteminden ve kompozit eleman formülasyonundan elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılarak, iki yöntemin kabiliyetleri değerlendirilmiştir. Sonuçta, hem modal enerji metodunun hem de kompozit eleman formülasyonunun pasif sönümlü yapıların sönüm değerlerini yüksek hassasiyetle tahmin ettiği görülmüştür. Dahası, modal enerji metodunun doğruluğu, sönüm seviyesinin ve yapıya uygulanan orantısal olmayan sönüm uygulamasından kaynaklanan mod şekli komplekslik düzeyinin fonksiyonu olarak ilk defa bu tez kapsamında incelenmiştir. Modal enerji metodu mod şekli komplekslik düzeyinin fonksiyonu olarak incelenirken, literatürde henüz mod şekli komplekslik düzeyini güvenilir bir şekilde ölçebilen ve literatürde genel olarak kabul görmüş tatmin edici bir yöntemin veya parametrenin olmadığı görülmüştür. Literatürdeki bu boşluğu doldurmak maksadıyla bu tez kapsamında mod şekli komplekslik düzeyini ölçmek için yeni ve özgün bir yaklaşım önerilmiştir. Önerilen yeni parametre, enerjinin korunumu ilkesine dayanmakta olup, sistemin direngenlik ve modal özelliklerini dikkate alarak hesaplanmaktadır. Örnek bir yapının mod şekillerinin komplekslik değerleri çeşitli modlar için hesaplanmış, sonuçlar literatürdeki diğer parametrelerin ürettiği sonuçlarla karşılaştırılmış ve yeni parametrenin geçerliliği ve üstünlüğü ortaya konulmuştur. Son olarak, etkin ve verimli bir optimizasyon metodolojisi ihtiyacını karşılamak üzere Big Bang-Big Crunch (BB-BC) optimizasyon metoduna dayalı bir optimizasyon yöntemi sunulmuştur. Önce, BB-BC optimizasyon metodunun teorik alt yapısı verilmiş, BB-BC optimizasyon metodu ve modal enerji sönüm tahmini yöntemine dayalı bir optimizasyon yöntemi bu tez kapsamında ortaya konulmuştur. Daha sonra, önerilen optimizasyon yöntemi doğrulanmıştır. Bunun için, belli modlar da optimum konfigürasyonları belli olan bir yapı ele alınarak, o modlar için teker teker optimizasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Takibinde, önerilen optimizasyon yöntemi birden fazla modun sönümünün aynı anda maksimize edilmesi için kullanılmıştır. Optimize edilen konfigürasyonların sönüm değerlerinin, sönüm malzemesinin yapıya uniform kaplanması durumundaki sönüm değerlerinden oldukça yüksek olduğu görülmüştür. Burada önerilen optimizasyon prosedürü global bir metod olup, yakınsama hızı oldukça yüksektir. Sonuç olarak, modal enerji metoduna dayalı BB-BC optimizasyon tekniğinin pratikte pasif sönüm uygulamalarının optimizasyonunda etkin bir şekilde kullanılabileceği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Damping materials are used in many fields of engineering including automotive, aeronautics, aerospace, acoustics and domestic appliances in order to minimise undesirable vibrations and radiated noise as well as for eliminating the risk of high cycle fatigue failures of critical components. This is usually done by coating various parts of a structure using the so-called viscoelastic materials so as to provide additional damping. However, as the use of damping materials brings additional cost and additional weight to a structure, there is a strong need for designing and optimising those treatments for maximum benefit using minimum amount of material. This is still a difficult optimisation problem, mainly due to the difficulties associated with damping predictions of general structures and solving the optimisation problems. Furthermore, this process requires establishing reliable methods for the determination of the properties of damping materials and for the prediction of damping in structures. However, damping materials generally exhibit non-linear behaviour and the accurate predictions of the dynamic properties of composite structures, especially the damping levels, are quite difficult because of inherent coupling between nonlinear material behaviour. This thesis aims to improve and propose methods for the identification, modelling and optimisation of structures with passive damping treatments and presents new analytical, numerical and experimental studies on these topics. Although the Oberst beam method is widely used for the measurement of the mechanical properties of viscoelastic or damping materials, the effects of measurement parameters including the adverse effects of non-contact excitation system used in this method, its modelling and minimisation are not explored elsewhere. Therefore, the effects of various parameters, such as the amplitude of the excitation, mounting conditions, input excitation type and the length of the test sample on measured data using an Oberst test rig are examined in an attempt to improve the accuracy of the estimated material properties. After that, the adverse electromagnetic effects due to non-contact exciters are investigated. For this purpose, extensive tests are carried out so as to determine the undesirable effects of electromagnetic excitation experimentally. Based on experimental evidence, electromagnetic field around the free end of the Oberst beam is modelled by some stiffness elements. Furthermore, a method is proposed for removing the adverse effects of the electromagnetic excitation in order to obtain more accurate material properties for uniform as well as composite beams. After this improvement, damping and elastic properties of the materials to be used in the theoretical models of structures with passive damping treatments are determined using the Oberst beam method. In some circumstances, the approach used for the determination of damping levels of structures using measured data may not yield reliable answers in the sense that the identified damping levels may exhibit high level of uncertainty in practice. A systematic study on damping uncertainty is performed in this thesis. Damping uncertainty in the frequency domain estimation is explored when the data are contaminated by noise and when numerical damping via exponential windowing is introduced during the signal processing phase of the spectrum estimation. Some numerical simulations are performed first in order to assess the adverse effects of noise on damping estimations and resulting damping uncertainty is examined as a function of noise level in the data. Then, damping uncertainty due to the use of exponential windowing is investigated using experimental data. A relationship between damping uncertainty and the level of added numerical damping is presented when the so-called line-fit method is used for damping estimation from measured Frequency Response Functions (FRFs). A Finite Element (FE) procedure based on the Modal Strain Energy (MSE) is presented for the purpose of modelling damped structures. Also, the theoretical background of a composite FE with damping capability is summarised and it is validated in this thesis. The damping capability validated here is based on a composite shell element with physical drilling degrees of freedom, where the structural damping is represented by means of complex element stiffness matrix of the individual layers. Such formulation allows modelling damped structures and performing modal analysis of the resulting complex eigenvalue problem. Then, some test cases are prepared and FRFs are measured in order to validate the procedure based on the MSE method and the composite FE. The material properties used in the models of the sample structures are identified experimentally using the Oberst beam method. The results obtained from the MSE method and the composite FE are compared with experimental results and the accuracy of both methods is assessed. Furthermore, the accuracy of the MSE method is examined as a function of damping level and mode shape complexity arising from non-proportional distribution of damping in structures. It is noted during this process that there is no universally accepted parameter for the quantification of mode shape complexity in the literature. A novel approach is proposed in this thesis in order to quantify mode shape complexity for general structures to overcome this void. The proposed new parameter is based on conservation of energy principle when a structure is vibrating at a specific mode during a period of vibration. The levels of complexity of the individual mode shapes of a sample structure are quantified using the proposed new parameter and the validity and the generality of the new parameter are demonstrated by comparing the results with those obtained by using other parameters available in the literature. Finally, in order to meet the need for a cost-effective optimisation methodology, an efficient approach based on the Big Bang- Big Crunch (BB-BC) optimisation method is proposed. First, the BB-BC method is summarised and an optimisation methodology based on the BB-BC technique coupled with the damping prediction approach using the MSE method is introduced. After that, for the purpose of validating, the proposed optimisation methodology is used to maximise modal damping of a single mode of a structure whose optimised configurations are known for the individual modes. Then, the performance of the proposed optimisation procedure is demonstrated for the maximisation of damping levels for multiple modes at the same time. The optimisation methodology given in this thesis is a heuristic population-based evolutionary (global) optimisation method and the convergence speed of this method is quite high. Overall, it is shown that the BB-BC technique coupled with the damping prediction approach based on the MSE method can be used effectively for optimisation of passive damping treatments applied to general structures in practice.
Benzer Tezler
- Damage detection in beam-like structures via combined genetic algorithm and non-linear optimisation
Kiriş benzeri yapilarda birleşik genetik algoritma ve lineer olmayan optimizasyon ile hasar tespiti
SEYFULLAH AKTAŞOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİN ŞAHİN
- Shipyard productivity evaluation with key performance indicators
Tersane üretim verimliliğinin temel performans göstergeleri ile değerlendirilmesi
ÜMRAN BİLEN
Doktora
İngilizce
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞEBNEM HELVACIOĞLU
- Kesir dereceli sistemlerde modelleme ve kontrol uygulamaları
Modelling and control applications in fractional order systems
FURKAN NUR DENİZ
Doktora
Türkçe
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİnönü ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NUSRET TAN
- Field testing based model updating of railway bridges
Demir yolu köprü modelinin test ölçümlerine dayanılarak yenilenmesi
PAKNOUSH RAHMATİAN DOLAT ABADI
- Eğri eksenli çubuklarda çatlak modellemesi
Crack modelling in curved rods
UĞURCAN EROĞLU
Doktora
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ