Geri Dön

Design optimization and experimental validation of the additively manufactured passive vibration isolator of an inertial measurement unit in aerospace applications

Havacılık uygulamalarında bir ataletsel ölçüm biriminin eklemeli imalat ile üretilen pasif titreşim izolatörünün tasarım optimizasyonu ve deneysel doğrulaması

PDF İndir

  1. Tez No: 866230
  2. Yazar: COŞKU VARDALLI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN, DR. CEYHUN TOLA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 139

Özet

Titreşim farklı sebeplerden yapılara etkiyen ve mühendislik sistemleri üzerinde istenmeyen sonuçlar yaratabilen çevresel ortamlardan biridir. Tasarımcılar titreşim fenomeninin etkisini, tasarım süreçleri içerisinde gözetmeli ve gerekli önlemleri almalıdır. Özellikle havacılık sistemleri düşünüldüğünde, basınç dalgalanmaları ve düzensiz akış, yapılar üzerinde rastlantısal titreşimlere sebep olabilmektedir. Yapısal anlamda bu titreşimlere dayanım gerçekleştirilse de havacılık içerisindeki sensörler gibi hassas aviyonik sistemlerin, kendilerine etkiyen bu titreşim ortamı içerisinde istenen şekilde çalışamayacağı durumlar olabilir. Güdümlü füzeler gibi havacılık sistemlerinde sıklıkla kullanılan ataletsel ölçüm ünitelerinin ölçüm birimleri, altı serbestlik derecesinde doğrusal ivme ve açısal hız ölçümleri yapar. Bu ölçümler ile füzenin kontrolcüsü beslenir ve füze kontrol yüzeyleri ile kontrol edilir. Basınç dalgalanmaları ve düzensiz akıştan kaynaklı olarak geniş bir frekans bandında füzeye etkiyen rastlantısal titreşim, ataletsel ölçüm ünitesinin yaptığı ölçümleri bozabilir. Kontrolcü tarafından ataletsel ölçüm ünitesinin düşük frekans bandında yaptığı ölçümler kullanılırken, yüksek frekanstaki ölçümlerin elimine edilmesi gerekir. Böylece, gerçekten füzenin hareketini temsil eden düşük frekanslı hareketler ölçülmüş ve kontrolcü tarafından kullanılmış olur. Yüksek frekansların filtrelenmesi dijital olarak yapılabildiği gibi, pasif titreşim izolatörleri kullanılarak da mekanik olarak filtreleme yapılabilir. Pasif titreşim izolasyonu, izole edilmek istenen yapı ile tahrikin geldiği yapı arasına, katılığı bu yapılara göre çok daha düşük elastomer gibi malzemelerin konulması ile yapılır. Bu yolla, gelen titreşim altında elastomer dinamik davranışını diğer sistemlerden daha düşük bir frekansta gösterip, yüksek frekanstaki tahrikin sönümlenmesini sağlar. Bu çalışmada, bir güdümlü füzenin içerisindeki atalet ölçüm ünitesini, akış kaynaklı geniş frekans bandında etkiyen titreşimden izole etmek için benzer bir çalışma yapılmıştır. Atalet ölçüm ünitesinin altı serbestlik derecesindeki hareketin ölçümünü yapmasından ötürü, atalet ölçüm ünitesi izolasyonu, diğer pasif titreşim izolasyonu uygulamalarına göre, mekanik tasarım açısından farklılık göstermektedir. İzolasyon sisteminin ayrık mod şekillerine sahip olması, ataletsel ölçüm ünitesine belli bir eksende etki eden tahrikin, diğer eksenlerde düşük seviyede cevap vermesine olanak sağlar. Diğer bir deyişle, ataletsel ölçüm ünitesi, tahrikin geldiği ekseni ölmüş olup, izolasyon sistemi diğer eksenlerde tahrike cevap vermediği için, tahrikin gelmediği eksenlerde izolasyon sisteminin dinamiğinden kaynaklı hatalı bir ölçüm yapmamış olur. Sistemin mod şekillerinin ayrıklaştırılması ise, izolasyon sisteminin ağırlık merkezi ve elastik merkezin çakışması ile gerçekleşir. Kütle ve elastik merkezinin çakıştırılamadığı, modların ayrıklaştırılamadığı durumlarda, rezonans frekansında sistem konik bir hareket yapabilir. Bu durum örnek olarak, ataletsel ölçüm ünitesine doğrusal ivme olarak etkiyen bir tahrikin, sistemin mod şeklinin ayrıklaştırılamaması sebebiyle, ataletsel ölçüm ünitesi tarafından sanki açısal bir hareket yapılıyor gibi açısal hız ölçümü yapılmasına sebep olabilir. Bu durumda, kontrolcü gerçekte sistemin yapmadığı bir hareketi yapıyormuş gibi sistemi kontrol etmeye çalışacaktır. Güdümlü füzeler gibi sistemlerde bu duruma sebebiyet vermemek kritik öneme sahiptir. Havacılık sistemlerinde genel olarak temel hedef düşük kütle ve yüzey alanı olması sebebiyle, küçük hacimli alt sistemler kullanılır. Kullanılabilir hacmin küçük olduğu sistemlerde ise kütle ve elastik merkezleri çakıştırmak kolay olmayabilir. Yüzük şeklindeki pasif titreşim izolatörü tasarımı, küçük hacimde elastomer katmanın eklenmesi ve kütle/elastik merkezlerinin çakıştırılması açısından avantaj sağlar. Pasif titreşim izolasyonunda kullanılan viskoelastik malzemeler, sıcaklık, frekans, tahrik genliği gibi etmenler altında doğrusal olmayan mekanik davranış gösterir. Özellikle havacılık gibi aşırı ortamlarda çalışan sistemler içeresinde bu malzemelerin kullanılması durumunda, doğrusal olmayan bu etkiler mutlak suretle gözetilmelidir. Bu sebeple, geniş bir sıcaklık aralığında viskoelastik karakterini sürdürebilen silikon malzemesi, havacılık sistemlerinde, pasif titreşim izolasyon elemanı olarak kullanılır. Fakat silikon benzeri malzemelerin kompleks şekillerde üretilmesi maliyet ve pratiklik açısından dezavantaj yaratabilir. Öte yandan, gelişen eklemeli imalat yöntemi ve yenilikçi malzemeler ile birlikte kompleks şekle sahip geometriler pratik bir şekilde üretilebilir. Optimum pasif titreşim izolasyonu için, kompleks bir şekle sahip pasif titreşim izolatörü, viskoelastik malzeme kullanarak, eklemeli imalat yöntemi ile üretilebilir. Bu çalışmada, elastomer benzeri bir malzemeden, eklemeli imalat yöntemi ile üretilen, alışılmış yöntemlerle üretilemeyecek bir pasif titreşim izolatörü tasarımı yapılmış, kullanılabilirliği simülasyon ve testler ile araştırılmıştır. Bu çalışma boyunca, boyutları belirli bir füze geometrisi içerisinde kullanılacak bir ataletsel ölçüm ünitesi için pasif titreşim izolatörü tasarım metodolojisi ortaya konmuştur. Ayrıca, tasarlanan pasif titreşim izolatörü alışılmışın dışında olarak eklemeli imalat yöntemi ve bu metot ile kullanılan elastomer benzeri bir malzeme kullanarak tasarlanmış ve ortaya çıkan pasif titreşim izolatörünün kullanılabilirliği araştırılmıştır. Öncelikle, tasarımı değiştirilemeyen füze ve ataletsel ölçüm ünitesi geometrileri tarafından elastomer malzeme tasarımının entegre edilebileceği kullanılabilir alan sınırlarına bağlı kalarak, yüzük şeklinde bir titreşim izolatörünün limit boyutları elde edilmiştir. Pasif titreşim izolasyonunda, sistemin doğal frekansı, izolasyonun yapıldığı frekans bandını belirler. Yüzük şeklindeki pasif titreşim izolatörü parametrik hale getirilerek, sistemin doğal frekansı, sistematik boşaltmalar yapılarak, değiştirilebilir hale getirilmiştir. Yapılan sistematik boşaltmalar öyle bir şekilde yapılmıştır ki, kütle ve elastik merkezin çakışma isteri devamlı olarak sağlanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi ile modelleme yapabilmek için, eklemeli imalat yöntemi ile kullanılan termo-plastik poliüretan malzemenin mekanik özellikleri, dinamik mekanik analiz (DMA) ile elde edilmiştir. Bu yöntem ile malzemenin sıcaklık ve frekansa bağımlı doğrusal olmayan mekanik yapısı, depolama ve kayıp modülü elde edilmiştir. Zaman sıcaklık süperpozisyonu kullanılarak, termo-plastik poliüretan malzemenin sıcaklık ve frekans koşullarındaki viskozite değişimi Williams-Landel-Ferry (WLF) fonksiyonu kullanılarak modellenmiştir. Parametrik pasif titreşim izolatörü geometrisi, basitleştirilmiş bir sonlu elemanlar modeli aracılığıyla, titreşim izolasyonunu belirleyen doğal frekansların belirli bir frekans bandında olması şartını sağlayacak şekilde optimize edilmiştir. Optimizasyon sırasında analiz edilen farklı geometrilerin mod şekilleri, modal güvence kriteri (MAC) parametresinin optimizasyona dahil edilmesiyle kontrol edilmiş olup, mod şekillerinin ayrıklığı sağlanmıştır. Sonuç olarak elde edilen optimum pasif titreşim izolatörü geometrisi, izolasyon performansının derinlemesine araştırılması amacıyla detaylı doğrusal olmayan sonlu elemanlar modeliyle analiz edilmiştir. Sistemin izolasyon performansı, kesme frekansı ve sıcaklığın doğal frekansa olan etkisi bu detaylı model ile elde edilmiştir. Eklemeli imalat yöntemi ile, sonlu elemanlar yöntemi ile tasarımı ve harmonik analizleri yapılan optimum titreşim izolatörü geometrisi üretilmiştir. Üretilen pasif titreşim izolatörünün titreşim yalıtım performansını deneysel olarak araştırmak için bir test düzeneği kurulmuş ve ölçümlendirilmiştir. Deneysel çalışmalarda sisteme iki farklı doğrusal eksende sinüs tarama ve rastlantısal titreşim testleri yapılmıştır. Sinüs tarama testlerinde kullanılan farklı genlikler ve frekans tarama hızının değiştirilmesi ile titreşim izolasyonu performansı ve elastomer benzeri malzemenin davranışın araştırılmıştır. Ayrıca, füzenin operasyonel koşullarda maruz kaldığı geniş bir frekans bandındaki rastlantısal titreşim, rastlantısal titreşim testleri ile sisteme uygulanarak titreşim izolasyon performansı deneysel olarak incelenmiştir. Son olarak, test sonuçları simülasyon sonuçları ile kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, bu çalışma bir atalet ölçüm birimi için pasif titreşim izolasyonu tasarlama metodolojisi sunmaktadır. Titreşim izolasyonu açısından özel dikkat gerektiren bir atalet ölçüm birimi pasif titreşim yalıtıcı tasarımında dikkat edilmesi gereken hususlar detaylı olarak irdelenmiştir. Doğrusal olmayan bir yapıya sahip malzemeden optimize edilmiş geometrinin titreşim izolasyon performansı, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak simülasyon ortamında elde edilmiştir. Sonrasında ise pasif titreşim yalıtıcısı eklemeli imalat ile üretilmiş ve test edilmiştir. Son olarak, simülasyon ve test sonuçları birbiriyle uyum içinde, dinamik mekaniz analiz sonuçlarıyla belirlenen TPU85A'nın kauçuk özelliğini gösterdiği sıcaklık rejiminde, istenen titreşim izolasyon performansının sağlandığını göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Vibration is an environmental factor that can affect structures for various reasons and create unwanted consequences on engineering systems. Designers should consider the effects of vibration phenomena and take necessary precautions within the design processes. Especially in aerospace systems, pressure fluctuations, and irregular flow can cause vibrations on structures. Although structural strength is achieved against these vibrations, there may be situations where sensitive avionics systems within aerospace systems cannot operate as desired in this vibration environment affecting them. Inertial measurement units, which are commonly used in aerospace engineering systems such as guided missiles, measure linear acceleration and angular velocity in six degrees of freedom. These measurements are fed to the missile's controller, which controls the missile's control surfaces. Random vibrations that affect the missile over a wide frequency band due to pressure fluctuations and irregular flow can disrupt the measurements made by the inertial measurement unit. While the low-frequency measurements made by the inertial measurement unit are used by the controller, high-frequency measurements need to be eliminated. This way, only low-frequency movements that truly represent the missile's motion are measured and used by the controller. High-frequency filtering can be done digitally or mechanically using passive vibration isolators. Passive vibration isolation is achieved by placing materials such as elastomers with much lower stiffness compared to the structures to be isolated between the isolated structure and the structure that causes excitation. In this way, the elastomer exhibits dynamic behavior under incoming vibrations by resonating, showing the damping of high-frequency excitations to transmit to the structure to be isolated. In this study, a similar approach was taken to isolate an inertial measurement unit (IMU) within a guided missile from vibrations that occur within a broad frequency band induced by fluid flow. Because the IMU measures motion with six degrees of freedom, the mechanical design of the IMU isolation system differs from other passive vibration isolation applications. The decoupled mode shapes of the isolation system enable the IMU to respond minimally to vibrations in other axes when an excitation acts on a particular axis. In other words, since the isolation system does not respond to vibrations in the other axes due to the axis where the excitation originates, the IMU does not make a faulty measurement due to the dynamics of the isolation system in axes where the excitation is absent. The decoupling of the system's mode shapes occurs when the mass center and elastic center of the isolation system coincide. When the mass and elastic centers cannot coincide and the modes are coupled, the system may make a combined movement in various axes at the resonance frequency. For example, if an excitation acts on the IMU as linear acceleration when the mode shapes of the system are not decoupled, it may cause the IMU to make an angular velocity measurement as if it were making an angular movement that the system is not actually making. In this case, the controller will try to control the system as if it were making a movement that it is not happening. Avoiding this situation is critical in systems such as guided missiles. Since the primary goal in aviation systems is generally low mass and surface area, small-volume subsystems are used. In systems where the available space is limited, it may not be easy to coincide the mass and elastic centers. The design of the ring-shaped passive vibration isolator provides an advantage in terms of adding a small volume elastomer layer and coinciding with the mass/elastic centers. Viscoelastic materials used in passive vibration isolation exhibit nonlinear mechanical behavior under factors such as temperature, frequency, and excitation amplitude. When these materials are used in systems that work in extreme environments, such as aerospace, these nonlinear effects must be strictly taken into account. Therefore, a silicone material that can maintain its viscoelastic properties over a wide temperature range is used as a passive vibration isolation element in aerospace applications. However, producing silicone-like materials in complex shapes can create disadvantages in terms of cost and practicality. On the other hand, with the developing additive manufacturing method and innovative materials, complex shapes can be produced in a practical way. For optimum passive vibration isolation, a passive vibration isolator with a complex shape can be produced using viscoelastic material and additive manufacturing methods. In this study, a design of a passive vibration isolator made from an elastomer-like material using the additive manufacturing method, which cannot be produced by conventional methods, was created, and its usability was investigated through simulations and tests.Additionally, a passive vibration isolator design methodology has been proposed for an inertial measurement unit to be used within a specified missile geometry throughout this study. Firstly, the limited dimensions of a ring-shaped vibration isolator were obtained by adhering to the usable area limits where the elastomer material design could be integrated, which were dictated by the unmodifiable missile and inertial measurement unit geometries. In passive vibration isolation, the natural frequency of the system determines the frequency band of the isolation. The ring-shaped passive vibration isolator was parameterized, and the natural frequency of the system was made changeable through systematic extrusion from the isolator geometry. The systematic extrusion were made in such a way that the coincidence of mass and elastic center was continuously ensured. In order to model with the finite element method, the mechanical properties of the thermoplastic polyurethane material used in the additive manufacturing process were obtained through dynamic mechanical analysis (DMA). The temperature and frequency-dependent non-linear mechanical properties of the material was obtained such as the storage and loss modulus. Hence, the temperature and frequency-dependent viscosity change of the thermoplastic polyurethane material were modeled using the Williams-Landel-Ferry (WLF) function by using time-temperature superposition. The parametrized geometry of the passive vibration isolator was optimized through a simplified finite element model to ensure that the natural frequencies determining the vibration isolation were within a certain frequency range. During optimization, the modal shapes of different geometries were controlled by including the modal assurance criterion (MAC) parameter in the optimization. As a result, the optimum geometry of the passive vibration isolator was obtained and analyzed in depth with a detailed nonlinear finite element model to investigate the isolation performance of the system. The isolation performance of the system, and the effect of excitation frequency and temperature on the natural frequency, were obtained with this detailed model. Nonlinearly simulated optimum vibration isolator geometry was produced using the additive manufacturing method. The produced passive vibration isolator was tested and vibration transmissibility measured experimentally to investigate its vibration isolation performance. In the experimental studies, sine sweep and random vibration tests were performed on the system in two different translational axes. By changing the amplitudes and frequency sweep rates used in sine sweep tests, the vibration isolation performance and behavior of the thermoplastic polyurethane (TPU85A) were investigated. In addition, the random vibration that the missile was exposed to under operational conditions in a wide frequency range was experimentally examined by applying random vibration tests to the test setup. Finally, the test results were compared with the simulation. In conclusion, this study presents a methodology for designing passive vibration isolation for an inertial measurement unit. The issues to be considered in the design of an inertia measurement unit passive vibration isolator, which requires special attention in terms of vibration isolation, are discussed in detail. The vibration isolation performance of the optimized geometry from a non-linear material was obtained in the simulation environment by using the finite element method. Afterward, the passive vibration isolator was manufactured and tested by additive manufacturing. Finally, the simulation and test results, in a good agreement with each other, showed that the desired vibration isolation performance was achieved in the temperature regime where TPU85A showed rubber properties, which were determined by the results of dynamic mechanical analysis.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    403045

    A multi-level upscaling and validation framework for uncertainty quantification in additively manufactured lattice structures

    Başlık çevirisi yok

    RECEP MUHAMMET GÖRGÜLÜARSLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiGeorgia Institute of Technology

    DR. SEUNG-KYUM CHOI

  2. Tez No

    781257

    Parameter optimization for fabrication of titanium dioxide nanoparticle reinforced pua matrix photocatalytic composites to improve wear resistance

    Titanyum dioksit nanopartikül takviyeli pua matrisli fotokatalitik kompozitlerin aşınma dayanımını artırmaya yönelik üretim parametrelerinin optimizasyonu

    METEHAN DEMİRKOL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BEDRİ ONUR KÜÇÜKYILDIRIM

  3. Tez No

    635362

    Numerical and experimental investigation of fiber-reinforced constant and variable stiffness composites for open hole tension with fiber continuity and curvature constraints

    Fiber sürekliliği ve amaçlı kısıtlamalar ile açık delik gerginliğinde elyaf dayanıklı sabit ve değişken yapışkanlığı kompozitlerinin sayısal ve deneysel araştırılması

    TORKAN SHAFIGHFARD

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Üretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ERALP DEMİR

  4. Tez No

    610607

    Toz yatağında katmanlı imalat prosesinin sonlu elemanlarla modellenmesi

    Process modeling of powder bed fusion additive manufacturing with finite element method

    FATİH YARDIMCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU

  5. Tez No

    789282

    Çeşitli katkı maddeleri ile hazırlanan PVDF kompozit nanofiberler ve filmlerinin piezoelektrik tepkisinin karşılaştırılması

    Comparison of the piezoelectric response of PVDF composite nanofibers and their films prepared with various additives

    KAMİL OFLAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    EnerjiKonya Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İLKAY ÖZAYTEKİN

Geri Dön