Development of a new spectral modeling approach to investigate the dynamic and buckling behavior of composite structure
Kompozit yapıların dinamik ve burkulma davranışını araştırmak için yeni bir spektral modelleme yaklaşımının geliştirilmesi
- Tez No: 680401
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BEKİR BEDİZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Son yıllarda, inşaat, denizcilik, havacılık mühendisliği ve diğer modern endüstrilerdeki yapısal sistemlerdeki hızla artan uygulamalarından dolayı kompozit malzemeler giderek önem kazanmıştır. Özellikle, kompozit malzemelerin yüksek spesifik mukavemet ve yüksek spesifik rijitlik benzeri üstün özelliklerinden dolayı otomotiv ve havacılık sanayiinde kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Dolayısıyla, bu yapıların gerilme (yarı-durağan ve dinamik kuvvetler altında), burkulma (yapısal kararsızlık) ve dinamik/titreşim davranışlarının modellenmesi, fonksiyonel özellikleri ve performansları açısından büyük bir önem arz eder. Kompozit malzeme, temel olarak farklı fiziksel ve/veya kimyasal özelliklere sahip iki veya daha fazla malzemenin karıştırılması/birleştirilmesi yolu ile elde edilir. Elde edilen malzeme, bu malzemelerden farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Kompozit malzemeler takviye türüne göre lif destekli, parçacık destekli ve katmanlı kompozit malzemeler olmak üzere üçe ayrılır. Takviye işleminin esnekliğinden dolayı istenilen sağlamlık ve sertlik gibi özelliklere sahip kompozit malzemeler tasarlanabilir ve üretilebilir. Kullanıldıkları alanlardan dolayı kompozit malzemelerin yapısal kararsızlık ve dinamik davranışlarının yüksek hassasiyet ile bulunması çalışma koşulları altındaki davranışları ve arızalanma karakteristikleri açısından kritik bir öneme sahiptir. Ayrıca tasarım sürecinde ortaya çıkan tüm tasarım alternatiflerinin değerlendirilmesi için dinamik/yapısal analizlerinin yapılması ve sistem karakteristiklerinin çıkarılan tüm alternatif tasarımlar için belirlenmesi ve en uygun tasarımın seçilmesi gerekmektedir. Literatürde kompozit malzemelerin yapısal/dinamik davranışlarını tahmin etmek için birçok analitik/numerik yöntem olmasına rağmen, bu yöntemler sadece belli basit geometrideki (kiriş benzeri bir boyutlu -1B- ya da plaka benzeri iki boyutlu -2B-) kompozit yapılar için çalışmaktadır ya da sonlu elemanlar tekniği gibi uygulama alanı geniş ama oldukça zaman alıcı yöntemlerdir. Fakat, günümüzde üç boyutlu kompozit yapıların gerilme/gerinim, burkulma (yapısal kararsızlık) ve dinamik davranışlarının tam olarak anlaşılmasını ve çalışmaları esnasında değişik dinamik yükler altındaki davranışlarının incelenmesini/ön görülmesini sağlayacak şekilde kapsamlı, yüksek başarımlı (hem yüksek doğruluğa hem de yüksek hesaplama verimliliğine sahip) bir hesaplama tekniği bulunmamaktadır. Bu tezde, kompozit yapıların iki ve üç boyutlu titreşim/dinamik davranışlarının, burkulma davranışlarının ve deformasyon karakteristiklerinin hızlı ve yüksek doğrulukla tahmini için yeni bir modelleme tekniği geliştirilmesi ve bir tasarım sürecinde optimum özelliklere sahip kompozit yapının bulunabilmesi amacıyla geliştirilecek modelleme tekniği ile entegre çalışabilecek optimizasyon (eniyileme) algoritması tasarlanması amaçlanmaktadır. Öngörülen modelleme tekniğinde birinci dereceden kayma deformasyon teorisi (2-B-) ve üç boyutlu doğrusal olmayan elastisite denklemleri kullanılacak ve belirtilen analizler yapının kinetik ve gerinim enerjis kullanılarak gerçekleştirilecektir. Kompozit yapıların malzeme özellikleri yapı içerisinde sürekli veya süreksiz bir davranış gösterebileceği için veya yöne bağlı olabileceği için gerilim ve gerinim arasında ilişkiyi içeren yapısal matris belirtilen tüm farklı malzeme özelliklerini içerecek şekilde ifade edilecektir. Endüstride kullanılan değişken kavisli ve kompleks bir kesit alanına sahip olan geometrilerdeki kompozit yapıların incelenmesi için gerekli koordinat transformasyonları tanımlanarak problemin tanımlandığı alan basitleştirilecektir. Yapısal ve dinamik analizler için elde edilecek denklemlerin çözümünde hem yüksek doğruluğun hem de yüksek hesaplama verimliliğinin elde edilmesi amacıyla spektral bir çözüm yönteminden yararlanılacak ve denklemlerin ayrıklaştırılmasında Chebyshev polinomları kullanılacaktır. Geliştirilen modelleme tekniği sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak doğrulanacaktır. Genel bir sonuç olarak, bu araştırma, optimizasyon çalışmaları için umut verici bir yöntem olarak karmaşık malzeme ve geometrilere sahip kompozit yapıların analizinin maliyetini düşürmeyi amaçlamaktadır.
Özet (Çeviri)
In recent years, composite materials have become increasingly important due to rapidly increasing applications in aerospace, civil, offshore engineering, and structural systems in other modern industries. The use of composite materials in the automotive and aerospace industry continues to become widespread due to their high specific strength and high specific rigidity. Since, the composite structures are critical to the functional and failure characteristics of a myriad of systems, understanding and predicting these systems' static, buckling, and dynamic/vibration behavior of these systems is highly crucial. A composite material is obtained basically by mixing two or more materials with different physical and/or chemical properties. The material properties of the obtained material have different physical and chemical properties. According to the reinforcement type, composite materials are classified as fiber-reinforced, particle-reinforced, and laminated/sandwich composite materials. Also, another category of composite materials are functionally graded materials. Due to the flexibility of the reinforcing process using functionally graded materials, it is possible to design and produce composite materials with desired properties along the specific direction of the structure. Predicting the strains and stresses, buckling instability, and dynamics of composite materials is critical to a myriad of systems' functional and failure characteristics of a myriad of systems. Furthermore, during the design stage of a composite structure, it is necessary to perform dynamic/structural analysis for the entire design alternatives. Although there are many analytical/numerical modeling methods are developed for composite structures in the literature, they are either for composite structures having simple geometries (one-dimensional models such as a beam or two-dimensional models such as plates) or computationally inefficient such as finite element technique. Therefore, in literature, there is no comprehensive modeling technique in the literature that can accurately and efficiently calculate the deformation, buckling loads (instability), and the vibrational behavior of composite structures having arbitrary geometries under mixed boundary conditions. This thesis aims to develop a new modeling technique for accurate and efficient prediction of two-dimensional and three-dimensional vibration/dynamic behavior, static, and buckling behavior of composite structures and to integrate the proposed solution approach with an optimization algorithm to determine the optimum design. In the proposed modeling technique, the first order deformation theory will be used as a two-dimensional modeling and three-dimensional elasticity equations will be used. The above-mentioned analysis will be performed using kinetic and strain energies of the composite structure. Since the material properties of composite structures may vary continuously/discontinuously or depend on the direction, the constitutive relationship between strains and stresses needs to be expressed to include all the different material properties specified. Furthermore, to simplify the domain of the boundary value problem, necessary coordinate transformations will be derived to transform the geometries of composite structures having variable curvature along one or two directions. To obtain high accuracy and high computational efficiency in the analyses, a spectral solution technique will be used incorporating Chebyshev polynomials in discretizing the problem domain. In conclusion, this research aims to present an accurate approach to decrease the cost of analyzing of composite structures with complex materials and geometries to be a promising method for optimization studies.
Benzer Tezler
- Türkü icracılarının nefes ve artikülasyon sorunlarına deneysel yaklaşım
An experimental approach to the problems of breathing and articulation for Turkish folk performers
YUSUF DUMLUPINAR
Doktora
Türkçe
2022
Müzikİstanbul Teknik ÜniversitesiMüzikoloji ve Müzik Teorisi Ana Bilim Dalı
PROF. SONGÜL KARAHASANOĞLU
- İki boyutlu kafes parametrelerinin sınırlı veri alanlarından hesaplanması
The Calculation of the 2-D lattice parameters from short data records
NURŞEN YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. AHMET HAMDİ KAYRAN
- Rastgele alanların ar modellemesi için dik kafes süzgeci ve spektrum kestirimine uygulanması
Two-dimensional orthogonal lattice structures for autoregressive modeling of random fields and its use in spectrum estimation
SEDAT TÜRE
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. AHMET H. KAYRAN
- Self-organized network management model for next generation wireless heterogeneous systems
Yeni nesil kablosuz çoktürel sistemlerde kendini düzenleyen ağ yönetim modeli
ÖZGÜR UMUT AKGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BERK CANBERK
- A computational study on sensing of explosives
Patlayıcı maddelerin deteksiyonu üzerine hesaplamalı bir çalışma
MEHMET ERDEM SÖZBİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERKAY SÜTAY