Investigation of the damping effectiveness of particle damper integrated structures design produced by laser powder bed fusion under different boundary conditions
Lazerle toz yatağında füzyon ile üretilmiş parçacık sönümleyici entegreli yapıların tasarımlarının sönüm etkinliğinin farklı sınır koşulları altında incelenmesi
- Tez No: 802876
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRECAN SÖYLEMEZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 137
Özet
Parçacık sönümleyici teknolojisi, titreşimleri en aza indirmek ve yapı performanslarını artırmak için kullanılan ve giderek yaygınlaşan bir sönümleme mekanizmasıdır. Temel çalışma prensibi, parçacıkların çıkamayacakları bir hacime hapsedildikten sonra entegre edildikleri yapıdan veya ortamdan gelen dinamik yüklerin etkisiyle oluşacak hareketleri, parçacıkların birbiri arasında veya içinde bulundukları hacmin limitleyici unsurları ile parçacıklar arasında oluşan etkileşimle kinetik enerjinin soğurulup, başta sürtünme kaynaklı ısı enerjisi olmak üzere diğer enerji türlerine dönüştürülmesi şeklindedir. Dışarıdan bir güç kaynağına ihtiyaç duymadığından pasif çalışma yöntemine sahip bu teknoloji, tasarım basitliği, düşük maliyeti ve zorlu koşullarda uygulanabilirliği gibi nedenlerle geleneksel sönümleme tekniklerine üstünlük kurabilmekte ve bu da onu geleneksel sönümleme tekniklerine çekici bir alternatif haline getirmektedir. Son yıllarda, entegre parçacık sönümleyicilere sahip yapılar üretmek için eklemeli imalatın, özellikle de toz yatağı füzyon prosesinin kullanımına artan bir ilgi vardır. Bunun sebebi, ek bir üretim sürecine ihtiyaç duyulmaksızın, yalnız doğru tasarım sürecini işleterek gövdeye entegre parçacık sönümleyicilerin olduğu yapıların üretilebilme imkanıdır. Söz konusu toz yataklı eklemeli imalat yöntemlerinde hâlihazırda üretimde kullanılmak üzere bulunan tozun sönümleyicilik işlevini yerine getirecek olan parçacıklar olarak da kullanılabilmesi bu metotların parçacık sönümleyici (PS) entegreli yapı üretiminde avantajlı kılmaktadır. Bu yaklaşım, yapıya uygulanacak harici damperlere olan ihtiyacı ortadan kaldırarak tasarım sürecini ve tasarlanan yapıları basitleştirir ve maliyetleri düşürür. Ayrıca gövdeye entegre parçacık sönümleyicilerin kullanımı, uygun bir tasarımla ek kütleye ihtiyaç bırakmayabileceğinden havacılık gibi ağırlığın kritik olduğu endüstrilerde avantaj sağlama potansiyeline sahiptir. Bununla birlikte, parçacık sönümleyicilerin belirtilen potansiyelinden tam olarak yararlanmak için dinamik davranışlarının daha derinden anlaşılması gerekir. Bu çalışma, toz yataklı lazer füzyon yöntemi ile üretilmiş yapıların dinamik davranışna, yapı gövdesine entegre parçacık sönümleyicilerin tasarım parametrelerinin etkilerini araştırmak için yapılmıştır. Bu maksatla çalışmada yapı üzerinde farklı boyut, sayı ve konumlara sahip gövdeye entegre parçacık sönümleyiciler içeren 16 farklı numune üzerinde inceleme yapılmıştır. Bu numuneler parça içinde belli hacimlerde kaynaşmamış tozlar bırakılarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Ayrıca bir adet tamamen ergimiş ve birleşmiş tozlardan oluşan (PS içermeyen) numune de karşılaştırmalı analizler için imal edilmiştir. Söz konusu yapıların ilk iki modu ve bu modlardaki sönüm davranışları gözlemlenmiştir. Bu doğrultuda boyut ve konumun yapının birinci ve ikinci modlarındaki dinamik davranış üzerindeki etkisini anlamak için farklı toplam hacimlere sahip parçacık sönümleyiciler tasarlanmış ve yapının çeşitli konumlarına yerleştirilmiştir. Ana yapının boyutları sabit tutulurken parçacık sönümleyiciler için konum, boyut ve aynı hacim için gövdeye entegre PS sayısı değişken parametreler olarak belirlenip tasarımlar yapılmış ve ilk iki moddaki sönümleme etkileri kaydedilmiştir. Sönümleme etkileri, sönüm oranı ile gösterilmiştir ve sönüm oranları frekans yanıt fonksiyonları (FRF) çıkarılarak her iki mod için hesaplanmıştır. FRF'ler, eklemeli olarak üretilmiş numuneler üzerinde yapılan modal testler sonucunda elde edilmiştir. Test yöntemi olarak çekiç testi seçilmiş ve serbest – serbest sınır koşullarıyla test gerçekleştirilmiştir. Bu sınır koşullarını sağlayabilmek için numuneler zemin tepkisini en aza indirebilmek için iki süngerin üzerine ve olabilecek en küçük alan (bu test için yaklaşık 6 mm²) süngerlere temas ettirilecek surette konumlandırılmıştır. İvmeölçer numunelerin zemine bakan yüzünde ve bu yüzeyin orta noktasında konumlandırılmış ve kablo hareketinden etkilenmemesi için kablo belirli bir konumdan sonra sabitlenmiştir. Numunelerin üstte kalan yüzeylerine 12 noktadan çekiç ile en az 5'er kez olacak şekilde vuruş yapılmış ve her bir nokta için FRF'ler elde edilmiştir. Bu FRF'lerin tümünden doğal frekanslar elde edilmiş ve rasyonel kesir polinomu (RFP) yöntemi kullanılarak sönüm oranları hesaplanmıştır. Bu verilerin ortalaması alınarak nihai sonuç elde edilmiştir. Sonuçlar, PS içeren numunelerin sönümleme performansının, tamamen kaynaşmış (PS içermeyen) numuneye kıyasla 10 kata kadar artırıldığını göstermiştir. Numunelere entegre parçacık sönümleyicilerin etkinliğinin, hacim ve uzamsal konuma önemli ölçüde bağlı olduğu gözlemlenmiştir. Örneğin, hacim fraksiyonu (PS hacminin yapının toplam dış hacmine oranı) artırıldığında sönümleme genellikle artırılmıştır. Kaynaşmamış tozların yoğunluğu, kaynaşmış olanlara kıyasla çok daha düşük olduğundan, hacim fraksiyonundaki bu artış aynı zamanda numunelerin toplam kütlelerinde 60 g'a varan azalmalara da neden olmuştur. Ayrıca, parçacık sönümleyiciler maksimum yer değiştirme bölgelerinin etrafına yerleştirildiyse, belirli bir mod için sönümleme performansında önemli ölçüde artış gözlemlenmiştir. Bu numunelerin tamamında serbest – serbest sınır koşulları için ilk mod eğilme mod şekline, ikinci mod ise burulma mod şekline sahiptir. İlk modda maksimum yer değiştirme noktası yine aynı sınır koşulları için parçanın orta bölgeleri iken ikinci modda uçların yer değiştirmesi daha fazladır. Dolayısıyla bu durum her bir mod şekli için farklılık gösterebilmektedir ve ilk modda merkeze, ikinci modda ise uçlara yerleştirilmiş parçacık sönümleyicilerin daha etkin çalıştıkları gözlemlenmiştir. Bir diğer tasarım grubu da sınır koşullarını incelemek adına oluşturulmuştur. Bu gruptaki numuneler hem serbest – serbest, hem de bağlı – serbest sınır koşulları ile test edilmiştir. Sonuçlara göre bağlı – serbest sınır koşullarında ilk mod için daha yüksek sonuçlar gelse de mod şekilleri, sistem sönümleri gibi incelenmesi gereken pek çok parametre olduğu ortaya konmuştur. Bu çalışmanın bulguları, yapılarda entegre parçacık sönümleyicilerin kullanılmasının potansiyel faydalarına ilişkin içgörü sağladığı için çeşitli endüstri kolları için büyük önem taşımaktadır. Titreşimleri azaltma ve yapı performansını artırma vaadiyle, parçacık sönümleyicileri içeren yapılar, havacılık, otomotiv ve inşaat mühendisliği gibi çeşitli endüstrilerin özel ihtiyaçlarını karşılamak üzere tasarlanabilir sonucuna varılmaktadır. Ek olarak, çalışma, eklemeli imalatın entegre parçacık sönümleyicilere sahip yapılar üretme potansiyelini vurgulamaktadır. Toz yatağı füzyon prosesinin esnekliği ile tasarımcılar, harici sönümleyicilere ihtiyaç duyulmayan, parçacık sönümleyicilerin yapı tasarımlarına kolayca dahil edildiği dizaynlar çıkartabilirirler. Bu yaklaşım sadece tasarım sürecini basitleştirmekle kalmaz, aynı zamanda maliyetleri düşürür ve parçacık sönümleyicileri geleneksel sönümleme tekniklerine kıyasla çekici bir alternatif haline getirir. Her ne kadar parçacık sönümleyicilerin kullanımı eskiden beri var olsa da, gövdeye entegre parçacık sönümleyicilerin kullanımı görece yeni bir konudur. Gerek bu çalışmanın, gerekse bu alanda yapılan diğer çalışmaların sonuçları umut verici olsa da, yapıya entegre parçacık sönümleyicilere sahip yapıların dinamik davranışını kapsamlıca anlamak için daha fazla çalışmaya gereksinim olduğu belirtilmelidir. Gelecekteki çalışmalar, maksimum sönümleme performansı elde etmek için parçacık söümleyicilerin boyutunu, şeklini ve konumunu optimize etmeye odaklanmalıdır. Bu çalışmaların uygun optimizasyon metotları geliştirmek üzere bu çalışmada olduğu gibi basit numuneler üzerinden ilerletilmesi gerektiği gibi karmaşık geometriye sahip parçalar üzerinde de doğrulamaların yapılması gerekmektedir. Ayrıca, yapıya entegre parçacık sönümleyicilerin yapının çeşitli modları üzerindeki etkilerinin yanı sıra farklı yüklere ve çalışma koşullarına maruz kalan yapılar üzerindeki etkilerini araştırmak için araştırmalara ihtiyaç vardır. Karmaşık geometrili parçaların mod şekilleri bilinen geometrilere göre daha kompleks olduğundan, doğru optimizasyonla kritik modlarda etkin çalışacak sönümleyicilerin entegrasyonu oldukça mühimdir. Sonuç olarak, yapılarda parçacık sönümleyici teknolojisinin kullanılması, performanslarını iyileştirme ve titreşimleri azaltma potansiyeline sahiptir. Ayrıca ek ağırlıklardan kurtulma ve hatta kütlede azalma vaad etmektedir. Tasarımcılar, parçacık sönümleyicileri eklemeli imalatla üretilecek yapılara uygun biçimde dahil ederek daha etkin bir tasarım elde edebilir ve maliyetleri azaltabilir. Ancak, bu teknolojinin potansiyelini tam olarak gerçeklemek ve yapıya entegre parçacık sönümleyicilere sahip yapıların tasarımını optimize etmek için çalışılması gereken pek çok konu mevcuttur.
Özet (Çeviri)
Particle damper (PD) technology has been increasingly adopted as a passive damping mechanism in structures to minimize vibrations and improve their performance. This technology is particularly advantageous due to its design simplicity, low cost, and applicability in harsh conditions, making it an attractive alternative to traditional damping techniques. The production of structures with integrated PDs using additive manufacturing, particularly the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process, has become increasingly studied in recent times. This approach eliminates the need for external dampers to be implemented into the structure, simplifying the design process and reducing costs. However, in order to fully utilize the potential of PDs, a deeper understanding of their dynamic behavior is required. To this end, a study is conducted to investigate the impacts of integrated PDs on the dynamic behavior of additively manufactured structures. The study examined 16 different cases of integrated PDs with different sizes, numbers, and positions on the structure. For example, PDs with different total volumes were designed and located at various positions in the structure to understand the size and position impact on the dynamic behavior at the first and second modes of the structure. Hammer impact tests were performed on the additively manufactured samples to calculate the frequency response functions (FRFs). The modal parameters such as the natural frequency and damping ratio were obtained using the rational fraction polynomial (RFP) method. According to the findings, the damping performance of the parts was improved up to 10 times by using body-integrated PDs compared to the fully fused specimen. It was also observed that the effectiveness of body-integrated PDs depend significantly on the volume and spatial location. For instance, damping was generally increased when the volume fraction was increased. This increase in volume fraction also reduced the total weight of the specimens by up to 60 g. Moreover, the damping performance significantly increased for a specific mode if the PDs were located around the maximum displacement regions. Another design group was created to investigate the boundary conditions. The samples in this group were tested with both free-free and fixed-free boundary conditions. According to the results, although higher results were obtained for the fixed-free boundary conditions for the first mode, it was revealed that there are many parameters to be investigated such as mode shapes and system dampings. The findings of this study are of great significance to the manufacturing industry as they provide insights into the potential benefits of using integrated PDs in structures. With the ability to reduce vibrations and improve performance, structures incorporating PDs can be designed to fulfill the particular requirements of various industries such as aerospace, automotive, and civil engineering. Additionally, the study highlights the potential of additive manufacturing to produce structures with integrated PDs. With the flexibility of the powder bed fusion process, designers can easily incorporate PDs into their designs, without the need for external dampers. This approach not only simplifies the design process but also reduces costs, making it an attractive alternative to traditional damping techniques. It is worth noting that while the results of this study are promising, additional researches are required to fully understand the dynamic behavior of structures with integrated PDs. Future studies should focus on optimizing the size, shape, and location of PDs to achieve maximum damping performance. Moreover, research is required to investigate the effectiveness of integrated PDs on other modes of the structure, as well as on structures subjected to different loads and operating conditions. In conclusion, the use of particle damper technology in structures has the potential to improve their performance and reduce vibrations. By incorporating PDs into structures using additive manufacturing, designers can achieve greater design flexibility and reduce costs. However, further research is needed to fully realize the potential of this technology and optimize the design of structures with integrated PDs.
Benzer Tezler
- Aynı kanallarda açısal ekstrüzyon probleminin sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi
Investigation of equal channel angular extrusion problem using finite element method
SEZGİN BİLGİLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK
- Investigation of fabrication optimization and physical and mechanical properties of metallic syntactic foams manufactured by cold chamber die casting
Açık hazneli basınçlı döküm yöntemi ile sintaktik köpük metal üretimi ve optimizasyonu ile fiziksel ve mekanik özelliklerin incelenmesi
ÇAĞIN BOLAT
Doktora
İngilizce
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
- Kiriş-kolon birleşim bölgelerinin ileri teknoloji malzemelerle güçlendirilmesi
Beam-column joints retrofitted with advanced technological materials
SİNAN MURAT CANSUNAR
Doktora
Türkçe
2023
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Yapı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR GÜLER
- Meta-malzemelerin ses iletim kaybı davranışlarının incelenmesi
Investigation of sound transmission loss behaviors of meta-materials
NİLÜFER DERİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK EROL
- Otomotiv amortisörlerinin etkinlik ve sönümleme kabiliyetlerinin incelenmesi
An investigation of effectiveness and damping capabilities of automotive shock absorbers
TURGAY ERGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF.DR. DURAN ALTIPARMAK