Real time high cycle fatigue estimation algorithm and load history monitoring for vehicles by the use of frequency domain methods
Taşıtlar için frekans uzayı yöntemleriyle gerçek zamanlı yorulma tahmini algoritmasının geliştirilmesi ve yüklenme geçmişinin gözlemlenmesi
- Tez No: 496408
- Danışmanlar: PROF. DR. ATA MUGAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Bu çalışma kapsamında taşıtlar için gerçek zamanlı olarak yüksek çevrimli yorulma hasarını tahmin edecek ve taşıtın maruz kaldıgı yükleme durumunu izlemeyi, frekans ˘ uzayı yöntemlerini kullanarak gerçekleştirecek bir algoritma geliştirilmiştir. Son yüzyılda rastgele titreşimler sonucu oluşan yorulma hasarını hesaplama konusunda geliştirilmiş olan yöntemler genel olarak iki kategoride incelenebilir: zaman ve frekans uzayı yöntemleri. Zaman uzayında öncelikle karmaşık olan gerilme zaman geçmişini basitleştirerek, maksimum ve minumumu olan bir gerilme çevrime dönüştürmek için bir sayma yöntemi kullanılır. Literatürde birçok sayma yöntemi yeralmaktadır, bu metotlara örnek olarak yagmur akışı, ortalama aralık ve ortalama ˘ eşleştirme yöntemleri olarak verilebilir. Sayma yöntemleri kullanılarak basitleştirilen gerilme geçmişinden, lineer hasar akümülasyonu formülü kullanılarak yorulma hasarı hesaplanır. Hasar akümülasyon kurallarına Miner ve Palmgren ve Haibach kuralları örnek olarak gösterilebilir. Frekans uzayında yorulma hasarı tahmini ise öncelikle gerilme geçmişinin güç spektral yogunlu ğu hesaplanarak yapılır. Güç spektral yo ğunlu ğu kullanılarak ˘ gerilme geçmişinin spektral momentleri hesaplanır. Hangi spektral momentlerin hesaplanacagı, tercih edilen frekans uzayı yöntemine göre belirlenmektedir. Spektral ˘ momentler hesaplandıktan sonra seçilen frekans uzayında yorulma hesabı yöntemine (Dar bant yaklaşma, Benasciutti ve Tovo, Zhao ve Baker, Benasciutti ve Tovo'nun α0.75 ve Dirlik yöntemleri) baglı olarak bazı parametreler hesaplanır. ˘ Son olarak hesaplanmış olunan parametreler, spektral momentler ve malzemenin yorulma parametreleri kullanılarak yorulma hasarı yogunlu ğu hesaplanır. Yorulma ˘ hasarı yogunlu geçen bir saniyelik zaman diliminde oluşan yorulma hasarı olarak ˘ tanımlanabilir. Yorulma hasar yogunlu ğu kullanılarak yorulma ömrü ve yorulma hasarı ˘ hesaplanır. Yukarıdaki paragraflarda anlatılan zaman ve frakans uzayında yorulma hasarı tahmin etme yöntemlerinin birbirine karşı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Zaman uzayında yorulma hasarı hesaplamanın şüphesiz en büyük faydası kuşkusuz olarak, yorulma hasarını çok büyük bir hassasiyet ile hesaplamaktır. Zaman uzayında yapılan hesaplamalar o kadar dogrudur ki bazı frekans uzayı yöntemleri en iyi sayma yöntemi ˘ olarak degerlendirilen ya ğmur akışı sayma yönteminin çevrim da ğılımını taklit etmeye ˘ çalışmaktadır. Zaman uzayındaki en dogru hesaplamayı yapabilmek için ise sayma ˘ yöntemi olarak yagmur akışı sayma yöntemi, lineer hasar akümülasyonu kuralı olarak ˘ ise Miner ve Palmgren kuralı kullanılmalıdır. Frekans uzayında yorulma hasarı hesaplanmasında ise hesaplama yükü, zaman uzayına göre çok küçük mertebelerde olmaktadır bu yüzden frekans uzayında yapılan tahminler, zaman uzayına göre çok daha hızlı olmaktadır. Yorulma hasarının tahmin edilmesi istenen yer sayısı birden fazla olabilir, bu duruma çözüm olarak, yorulma açısından kritik olan bütün noktalarda strain-gage yardımıyla gerilme geçmişi ölçülerek yorulma hesaplarının frekans veya zaman uzayında yorulma hasarının hesaplanması çözüm olarak düşünülebilir, ancak bu çözüm hem hesapsal hemde maddi yönden pahalı olacaktır. Bunun yerine sadece girdi (input) noktası olarak belirlenen nokta veya noktalardan ölçüm alarak yorulma hasarının hesaplanmak istendigi çıktı (output) noktalarındaki gerilme güç spektral güç yo ğunlukları, taşıtın ˘ sonlu eleman modelinin frekans cevabı analizi yapılarak hesaplanabilir. Önerilen çözüm direkt olarak adından da anlaşılacagı gibi frekans uzayında çalışmayı ˘ zorunlu kılmaktadır, girdi noktasında ölçüm alınarak çıktı noktasına yorulma hasarı hesaplamak zaman uzayında da kısa süreli dinamik analiz (transient dynamic analysis) yapılarak hesaplanabilir ancak bu şekilde yapılan yorulma hasarı tahmin etmenin hesaplama yükleri çok fazladır.Yukarıda da anlatıldıgı gibi birçok kritik noktada ˘ yorulma hasarı tahmini frekans uzayında, zaman uzayına göre çok daha hızlı yapılmaktadır, bundan dolayı bu çalışmada yorulma hasarının hesaplanmasının ve yükleme koşullarının izlenmesinin gerçek zamanlı olabilmesini mümkün kılmak için hesaplamalar frekans uzayında yapılmıştır. Oluşturulan algoritmanın hesaplamaları hızlı ve az miktarda hafıza kullanarak yapması beklenmektedir bu yüzden algoritma aşagıdaki gibi oluşturulmuştur: ˘ i) Frekans cevabı fonksiyonları girdileri taşıt tekerleklerindeki ivme, çıktıları ise kritik noktalardaki gerilmeler olacak şekilde sonlu eleman metodu yardımıyla bulunur. ii) Taşıt tekerleklerindeki dikey yöndeki ivmeler ölçülür. Ölçülmüş olunan bu ivmeler taşıtın şasesi için tahrik edici girdi olarak kullanılacaktır. iii) Tekerleklerden ölçülen dikey yöndeki ivmelerin güç spektral yogunlukları belli bir zaman aralıgı için (ismen, parçalı güç spektral yoğunluğu) hesaplanır ve frekans cevap fonksiyonlarının mutlak degerlerinin kareleriyle çarpılarak kritik yerlerdeki, sözkonusu zaman aralıgına karşılık gelen güç spektral yo ğunlukları bulunur. iv) Bu çalışmada, tekerlekten ölçülmüş olunan ivme datası dörtyüzseksen bin elemandan oluşmaktadır, bu ivme datası herbiri kırkbin elemandan oluşan oniki parçaya böünmüştür.Daha sonra bu ivme data parçaları, her biri eşit sayıda eleman içeren altparçalara bölünmüştür. Çalışmanın amaçlarından bir tanesi de optimum alt parça uzunlugunun saptanmasıdır, bu yüzden değişik alt parça uzunlukları ile yorulma hasarı tahminleri yapılarak optimum dogruluk ve hıza karşılık gelen alt parça uzunluğu belirlenmiştir. v) Oluşturulan alt parçaların güç spektral yogunlukları hesaplanmış daha sonra frekans cevap fonksiyonları kullanılarak, çıktı noktalarındaki alt parçaların güç spektral yogunlukları hesaplanmıştır, alt parça güç spektral yo ğunlukları toplanarak parçanın güç spektral yogunluğu bulunmuştur ve girdi ile çıktı noktalarının alt parçalarının güç spektral yogunlukları kullanılan hafızayı en azda tutmak için silinmiştir. vi) Çıktı noktalarındaki parçaların güç spektral yogunlukları kullanılarak, seçilmiş olunan frekans uzayı yorulma hasarı tahmin etme yöntemine baglı olarak gerekli olan spektral momentler hesaplanmış ve parçaların güç spektral yogunlukları silinmiştir. Hesaplanmış olunan spektral momentler söz konusu parçanın ait oldugu zaman aralıgında, kritik noktaya etkimiş olan yükleme durumunu temsil etmektedir bu yüzden taşıtın maruz kaldıgı zorlanmaları izlemek için hafızada tutulmuştur. vii) Seçilmiş olunan frekans uzayı yorulma hasarı tahmin etme yöntemine bağlı olarak, gerekli olan malzeme yorulma parametreleri ve spektral momentler kullanılarak, yorulma hasarı yogunluğu hesaplanır. viii) Bulunan yorulma hasarı varsa daha önceki parçalar tarafından oluşturulmuş olunan yorulma hasarları ile toplanır ve yorulma hasar eşiginin aşılıp aşılmadığına bakılır, eger aşılmamışsa bir sonraki parçaya geçilerek, parçanın ait olduğu zaman aralıgında oluşan yorulma hasarı hesaplanır. ˘ Yukarıda anlatılan adımlar tez içerisinde yer alan akış diyagramında ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Önerilen algoritmanın performansının ölçülmesi için iki farklı karşılaştırma yapılmıştır. Bu karşılaştırmalardan ilki parçalı güç spektral yogunluğu kullanılarak hesaplanan spektral momentlerin, standart prosedür kullanılarak hesaplanan spektral momentler ile karşılaştırılmasıdır.Bu karşılaştırma için üç farklı yol koşulunda, kamyon şasesindeki egzoz susturucu braketinden, kamyon yirmibeş ton yüklü iken, üç eksende (x, y ve z eksenleri) alınan ivme ölçümleri kullanılmıştır. Yol koşullarından ilki kamyonun aynı dingile baglı tekerleklerinden birisi tümsekte iken ötekisi yolun düz zemininde olacak şekilde tasarlanmıştır, ölçüm alınan ikinci yol ise Arnavut kaldırımları ise döşenmiştir, sonuncu yol ise rastgele olarak dagıtılmış, çapları eşit olmayan deliklerden oluşacak şekilde tasarlanmıştır. Burada alınmış olan ivme datalarından her biri algoritmada bahsedilen parça ivme datası olarak düşünülmüş ve bin, beşbin ve onbin elemandan oluşan alt parçalara ayrılmış, farklı alt parça uzunlukları için spektral momentler hesaplamış ve sonuçlar standart prosedür ile hesaplanmış olan spektral moment degerleri ile karşılaştırılmıştır. Önerilen yaklaşım ile hesaplnan spektral momentlerin çok yüksek bir kısmı % 0.5 ten daha az bir hatayla hesaplanmıştır, en yüksek hata ilk yol koşulunda z ekseninde alınmış olan ivme kullanılarak yapılan hesaplamalarda %1.69, en düşük hata ise ikinci yol koşulunda y ekseninden alınmış olan ivme kullanılarak yapılan hesaplamalarda %0.09 olarak bulunmuştur. Spektral momentlerin hesaplanma zamanları da göz önüne alındıgı zaman, parçalı güç spektral yoğunluğu yönteminin spektral momentlerin hesaplanmasında kullanılması dogru bir seçenektir. ˙ikinci karşılaştırma ise önerilmiş olunan algoritmanın, yorulma ömrünü ne kadar dogru hesapladığını ve optimum alt parça uzunlu ğunu bulmak için yapılmıştır. Karşılaştırmanın yapılması için öncelikle kamyon şasesinin sonlu elemanlar modeli kullanılarak, farklı alt parça uzunluklarına karşılık gelen frekans çözünürlüklerinde frekans cevabı fonksiyonları elde edilmiştir. Kamyon şasesinin maruz kaldıgı yüklerin frekansı 30 Hz ü aşmadıgı ve aynı alt parça uzunlu ğu ile daha yüksek frekans çözünürlügü elde etmek için örnekleme frekansı 200 Hz olarak seçilmiştir. Örnekleme frekansı belirlendikten sonra hızlandırılmış yorulma parkurunda egzoz susturucu braketinden(daha önce elde edilen frekans cevap fonksiyonlarının girdi noktası) ivme ölçümü alınmıştır, ölçüm önerilen algoritmaya sokularak altı farklı frekans uzayında yorulma hasarı tahmin etme yöntem(dar bant yaklaşma, Benasciutti ve Tovo, Zhao ve Baker, Benasciutti ve Tovo'nun α0.75 ve Dirlik yöntemleri) için yorulma ömrü hesaplanmıştır. Bulunan yorulma ömür degerlerini karşılaştırmak için kamyonun sonlu eleman modeline ölçülmüş olunan ivme datası girdi olarak verillerek çıktı noktasındaki gerilme geçmişi bulunmuş ve yagmur akışı sayma yöntemi ve Miner-Palmgren kuralı bir arada kullanılarak zaman uzayında yorulma ömrü hesaplanmıştır. Hesaplamalarda malzeme olarak St52-3 U DIN EN 10.02çeligi kullanılmıştır. Ayrıca sözkonusu ivme datası için yorulma ömrü on kez ˘ yapılan deneylerle de bulunmuştur. Algoritma ile hesaplanan yorulma ömürleri zaman uzayında hesaplanan yorulma ömrü ile hesaplandıgında, yorulma ömrünü en doğru hesaplayan yöntemin geliştirilmiş Benasciutti ve Tovo yöntemi oldugu görülmüştür, yöntem yorulma ömrünü %2.5 hatayla hesaplamıştır. Ayrıca altı yöntem kullanılarak bulunan yorulma ömürlerinin deney sonucunda bulunmuş olunan yorulma ömrü aralıgında oldu ğu görülmüştür. Algoritmanın çalışma sürelerinin birbirine çok yakın ˘ olması sebebiyle alt parça uzunlugu ikibin eleman olarak seçilmiştir.
Özet (Çeviri)
Real time high cycle fatigue estimation problem for vehicles is examined by the use of frequency domain methods. The purpose was twofold: monitoring of fatigue damage and tracking of load history in real time. Firstly, power spectral density functions (PSDs) of acceleration measurements at selected locations are calculated in a piecewise manner by dividing the acceleration-time history into pieces. Following, Frequency Response Functions (FRF's) whose outputs are the stress values at selected components are calculated by finite element methods. Then, fatigue damage at selected output locations is estimated using the FRF results. To this end, the following frequency domain fatigue estimation methods proposed for Gaussian and stationary data sets are applied to the selected components of a heavy duty truck: narrow band approximation, Benasciutti and Tovo, Zhao and Baker, Benasciutti and Tovo's α0.75 and Dirlik methods. Numerical results are compared with experimental fatigue lives and damage calculations in time domain made by the combination of rainflow counting and Miner-Palmgren rules. There are two difficulties in implementing this approach using on-board equipment in real time such as overcoming the limited memory to store data sets and completing the computations sufficiently fast. To overcome them, the proposed approach is implemented in a piecewise manner and associated PSDs are updated accordingly. Then, spectral moments and fatigue damage intensities are calculated in frequency domain. Implementation of the proposed approach is described in detail and numerical results are presented. In addition, spectral moments and fatigue damage intensities are stored in the memory of electronic control unit(ECU) to monitor loading history of vehicle with corresponding time intervals to determine at which time interval the most fatigue damage occurred. It is shown that the proposed approach is able to predict the fatigue damage accurately at reasonable CPU time and can keep track of loading conditions in real time.
Benzer Tezler
- High cycle fatigue life estimation in frequency domain using multi input multi output Q-T matrix method
Çok girişli çok çıkışlı Q-T matris yöntemi ile frekans uzayında yüksek çevrimli yorulma ömrü hesabı
EMEL KULA TOPAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
- A heavy duty diesel engine exhaust manifold thermo mechanical fatigue test rig design, analysis and verification
Ağır vasıta dizel motor egzoz manifoldu termomekanik yorulma test sistemi tasarımı, analizi ve doğrulanması
UĞUR ERKEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
DR. UMUD ESAT ÖZTÜRK
- Application of structural modification method to nonlinear vibration analysis of bladed disks
Yapısal değişiklik yönteminin kanatçıklı disklerin doğrusal olmayan titreşim analizinde uygulanması
BURCU ŞAYİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ENDER CİĞEROĞLU
- 3 boyutlu yapısal analizlerde minimum model büyüklüğünün belirlenmesi
Calculating minimum model size in 3-dimensional structural analysis
HAYRİ GÜLDAĞLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK
- The effect of surface roughness on mechanical behavior of commercially pure titanium implants produced by selective laser melting
Seçici lazer ergitme yöntemi ile üretilmiş ticari saflıktaki titanyum implantların yüzey pürüzlülüklerinin mekanik davranışa etkisi
SEREN ŞENOL
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU