Vibrational fatigue estimation using subspace-based system identification method in frequency domain
Alt uzay temelli sistem tanımlama metodu kullanılması ile frekans uzayında titreşim kaynaklı yorulmanın hesaplanması
- Tez No: 496409
- Danışmanlar: PROF. DR. ATA MUGAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- 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: 87
Özet
Titreşim bir sistemin denge konumu civarında yapmış olduğu salınım hareketidir. Titreşimlerin nedeni, sistemlerdeki dış kuvvetler ve sistemlerin bu dış kuvvetlere cevap vermek istemesinden kaynaklanır. Bu dış kuvvetler, sistemin bağlı olduğu temelden gelen kuvvetler, dönen sistemlerde dengelenmemiş kütleler ve motorlarda gidip-gelen kütleler olabilir. Bu mekanik titreşimlerin yol açtığı en önemli sorunlardan biri de yorulmadır. Yorulma konusu özellikle motorlu taşıtlarda önemli bir konudur. Araçlar seyir halinde iken titreşim kaynaklı yorulmanın neden olduğu hasarlar nedeniyle yolda kalmakta veya tamir ihtiyacı oluşmaktadır. Son yıllarda, tüm dünya da ticari araçlar olan otobüsler, kamyonlar, hafif kamyonlar ve hatta arabalar bile gittikçe uzayan sürelerde kullanılıyor. Ancak, bazı makina elemanlarında ve araçların mekanik aksamlarında meydana gelen aşınmalar ve arızalar nedeniyle bu durum erken yorulma hasarlarına sebep olmaktadır. Özellikle, mekanik aksamlarda yer alan bazı arızalar araç hareket halinde iken meydana gelir. Eğer hareket halinde bozulan araçların ciddi bir arızası varsa, bakımları ve onarımları için uzun süre bekletilmeleri gerekebilir. Bu durum araçların kullanımını bir süre engellediği için ciddi ekonomik kayıplar anlamına gelmektedir. Araçlarda bu şekilde arızların gerçekleşmesinin farklı aşınma ve arıza çeşitleri gibi bir çok nedeni olabilir. Yine de en önemli arızalardan biri titreşim kaynaklı yorulmadır. Titreşim kaynaklı yorulma nedeni ile araçların hasar alması oldukça muhtemeldir. Son yıllarda titreşim kaynaklı yorulma nedeni ile bir çok araç özellikle de ağır yük ticari araçlar yollarda kalmaktadır. Bu çalışmanın sonunda elde edilmek istenen, titreşim kaynaklı yorulmadan dolayı meydana gelen hasarlar oluşmadan önce, bazı önemli parçalar üzerinde tahmini ömür hesabı yapmak ve sürücünün yorulmadan kaynaklı hasar meydana gelmeden önce araçların mekanik aksamları hakkında bilgilendirilmesidir. Ömür hesabını gerçekleştirebilmemiz için, yoldan topladığımız gerilme datalarının önemli görülen aksamlar üzerinde ki etkilerini incelememiz gerekmektedir. Bu çalışmada işlenen konu özellikle transfer fonksiyonlarının tahmin edilmesidir. Çünkü, araçların titreşim kaynaklı yorulmadan nasıl etkilendiğini bulmak için aksamlar arasındaki transfer fonksiyonlarının tahminlerinin yapılmasına ihtiyacımız vardır. Bu fonksiyonlar frekans uzayonda yorulma hesaplamalarında kullanılmaktadır. Transfer fonksiyonu tahmini sayesinde, seçilen kritik parçalardaki gerilme değerleri ve yorulma hasarı kolayca bulunabilir. Aksamlar arasındaki transfer fonksiyonlarının tahminlerini bulmak için Matlab programında literatürde çalışılan methodların algoritmaları yazıldı. Matlab kodları sayesinde transfer fonksiyonlarının tahminleri elde edildi. Ek olarak, bu kodlar alt uzay temelli sistem tanımlama yöntemi, doğrusal olmayan en küçük kareler yöntemi ve frekans uzayı sistem tanımlama yöntemi, frekans ve zaman uzaylarında karşılıkları gibi literatürdeki birçok yöntemi içermektedir. Lennart Ljung tarafından geliştirilen alt uzay temelli sistem tanımlama yöntemi 8 ana basamaktan oluştmaktadır. Yöntemin sonunda transfer fonskiyonları durum uzayı şeklinde elde edilmektedir. Sonrasında transfer fonksiyonlarının adaptif olmalarını sağlayacak olan tekrarlamalı en küçük kareler yönteminde kullanabilmek için ayrık zaman transfer fonksiyonlarına dönüştürülmektedir. Bu transfer fonksiyonlarının payda ve pay katsayıları tekrarlamalı en küçük kareler yönteminde parametreler vektörü olarak kullanılmaktadır. Aracın değişen çalışma koşulları için bu parametreler vektörü değişmekte, dolaylı olarakta transfer fonksiyonları değişmekte ve adaptif olmaktadır. Bunu sağlamak için belli zaman aralıklarında anlık olarak çalışan tek ivme ölçerden alınacak ivme verilerinden yararlanılmıştır. Başlangıçta araçların ECU sistemine yerleştirilecek transfer fonksiyonlarını tahmin etmek için kullanılan veriler, araçların mekanik aksamları arasındaki transfer fonksiyonlarını tahmin etmek için titreşim deneylerinden toplanmıştır. Aracın dolu ve boş halleri için ayrı şekilde ivme dataları toplanmıştır. Dahası, verilerin geniş frekans genliğinde toplanmasını sağlamak için farklı ve zorlu yol koşulları ivme bilgilerini toplamak için seçilmiştir. Ek olarak, Transfer fonksiyonu tahmini için frekans uzayı seçilmiştir. Bunun nedeni, bu uzayda işlemlerin daha hızlı gerçekleştirilebilecek olmasıdır. Böylece, titreşim kaynaklı yorulmaya maruz kalan mekanik aksamlar için yapılan yorulma analizi uzun süre beklemeksizin frekans uzayında gerçekleştirilebilir. Bu çalışmaya ek olarak, transfer fonksiyonun adaptif olması için Lennart Ljung tarafından geliştirilen tekrarlamalı en küçük kareler yöntemi çalışıldı. Bu yöntem ile elde edilmek istenen aracın farklı nedenlere göre değişen transfer fonksiyonlarının tahmin edilmesidir. Titreşim kaynaklı gerilmeleri verecek olan transfer fonksiyonları bazı özel durumlara göre değişiklik göstermektedir ve bu durumlara göre adaptif olması istenmektedir. Bu özel durumlar, aracın eğimde yol alıp almaması, aracın yük durumu, aracın farklı ivmelerde seyir etmesi ve aracın yakıt yük durumudur. Bu özel durumlara uygun olarak çalışan transfer fonskiyonlarını tahmin etmek için Lennart Ljung'un geliştirdiği tekrarlamalı en küçük kareler yönteminin algoritması matlab programında kodlar halinde yazılarak aracın ECU sistemine yerleştirilecek hale getirildi. Bu çalışma ile araç seyir halinde iken belli sürelerde çalışacak bir sistem ile aracın eğimde yol alıp almaması, aracın yük durumu, aracın farklı ivmelerde seyir etmesi ve aracın yakıt yük durumu gibi özel durumları tespit edilecek ve bu durumlara uygun olan transfer fonksiyonları kullanılmış olacaktır. Son olarak, gerilme değerleri bilgilerinin transfer fonksiyonları ile hesaplanması sayesinde araç üzerindeki kritik bölgelerdeki gerilmeler elde edilecek ve elde edildikten sonra yapılan yorulma analizi sürücünün aracı ne zaman bakıma götüreceği hakkında bilgiyi gösterecektir. Yapılan bu çalışmada en az sayıda ivme ölçer kullanılmıştır ve adaptifliğin sağlanması için kullanılacak bu tek ivme ölçerden gelecek bilgilere göre transfer fonksiyonları değiştirilmiş ve bu transfer fonksiyonlarının aracın farklı çalışma koşullarına göre adaptif olması sağlanmıştır. Böylece, kritik yerlerdeki gerilme değerlerini bulabilmek için aracın farklı çalışma koşullarına adapte olabilen adaptif transfer fonksiyonları kullanılmıştır.
Özet (Çeviri)
Nowadays, commercial vehicles such as buses, trucks, light trucks and even cars have been driven longer time periods than the past all around the world. Due to driving them longer time periods, failure of some components may occur while driving them. Especially, some of the failures may take place in mechanical parts when the vehicle is in motion. Due to component failures, vehicles are stopped for repair and maintenance for a while that causes loss of money and time. There are many reasons for the component failure in vehicles. However, one of the most important reasons is vibrational fatigue. The purpose of this study is to examine vibrational fatigue in frequency domain. In particular, subspace based identification method is used for identification of transfer functions in frequency domain. In this study, it is examined that how to get the transfer functions by estimating the structural transfer functions in order to predict stress values on some specific points of heavy duty trucks and how the components of the vehicle is affected by vibrational fatigue. Thanks to getting the transfer functions by using the estimation method, it is found that which part is affected by fatigue and the failure damage could be estimated easily. By using Matlab software, estimated transfer functions are found that have information on stress values (e.g., power density functions PSD) of the critical locations on a vehicle. The developed programs in Matlab environment is based on subspace based identification method, nonlinear least squares method and frequency domain identification method. The frequency domain techniques are selected over the domain time methods due to their less computational time in time domain. There are eight significant steps throughout the subspace based system identification method in order to obtain estimated transfer functions in the algorithm. The data are picked up from the vibration experiments to determine transfer function between selected locations of a vehicle. The data included acceleration/displacement measurements as the input. The outputs are the stress values at selected points in the vehicle. Then, frequency domain fatigue estimation methods are employed to predict the fatigue damage at the selected component. Thus, the parts of vehicles which are exposed to vibrational fatigue could be analyzed without any difficulty since the transfer functions were estimated in frequency domain and fatigue damage is calculated in frequency domain as well. Moreover, there is a need that the transfer functions should be adaptive, recursive least squares method was also studied. The transfer functions were made adaptive for different circumstances such as the vehicle acceleration, weight condition, road surface roughness, slope of the road, fill rate of fuel tank and they are also adaptive for different truck models. Finally, owing to transmitting the stress value information at selected components, fatigue analysis can be completed using them in frequency domain and predicts the fatigue life of mechanical parts in vehicles. The implementations are made on a heavy duty vehicle. It is shown that the developed algorithm can predict the stress variation in frequency domain accurately and the fatigue life of the selected components can be predicted in agreement with the experimental observations in tests.
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
- Fatigue life estimation of tuned vibration absorbers with response estimation method
Ayarlanmış titreşim emicilerin operasyonel cevaplarının tahmini metodu ile yorulma ömrü tahmini
YUNUS YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN OSMAN ÖZGEN
- 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
- Askeri tankların palet mekanizmalarının dinamik analizi ve ömür değerlendirmeleri
Dynamic analysis and fatigue life estimations of track mechanisms of military tanks
GÖKHAN ERKİN SAATÇI
Doktora
Türkçe
2006
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. NECATİ TAHRALI
- Estimation of vehicle and load conditions of a truck for fatigue estimation using real time numerical algorithms
Bir kamyonun numerik metotlarla gerçek zamanlı olarak yorulma tahmini için, taşıt ve yük durumlarının tahmini
BÜLENT ŞEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN