Vibration and damping analyses of variable curved composite sandwich beams and shells by the differential quadrature method
Değişken eğriliğe sahip kompozit sandviç kirişler ve kabukların diferansiyel kareleme yöntemi ile titreşim ve sönüm analizleri
- Tez No: 904405
- Danışmanlar: PROF. DR. AYTAÇ ARIKOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Taşıtlar, makinalar, köprüler gibi birçok dinamik etkiye maruz kalan sistemde istenmeyen titreşimler oluşmaktadır. Bu titreşimler sistemde istenmeyen hareketler oluşmasına neden olmakta, titreşimlerin sistemde oluşturduğu dinamik yüklemeler yapının yorulmasına, enerji kayıplarına ve performans düşüklüğüne yol açmaktadır. Günümüzde kullanılan birçok metot ilk önce havacılık ve nükleer mühendislik için geliştirilmiştir. Bu alanların öncü olmasının sebebi, güvenlik ve hafiflik kriterlerin son derece önem arz etmesidir. Bu geliştirilen metotlar daha sonra endüstrinin diğer alanlarına da yayılmıştır. Kabuk tipi yapıların titreşim kaynaklı problemleri özellikle havacılık gibi endüstrinin çeşitli alanlarında öncelikli araştırma konuları arasında yer almaktadır. Titreşim problemlerinin hem ürünün sürdürülebilirliğini hem de insan üzerindeki etkileri nedeniyle endüstride öncü olabilmek için günümüz teknolojisinin üretim ve tasarım aşamasındaki bize sunduğu hesaplama gücündeki gelişmeler, araştırmacıları daha karmaşık ve hassas problemler çözebilecek modeller oluşturmaya yöneltmiştir. Bir fiziksel sistemin performans ve karakteristik davranışlarının öngörülebilmesindeki hassasiyet, sistemin oluşturulacak matematiksel modeline bağlıdır. Oluşturulan bu denklem sistemleri, fiziksel sistemin davranışlarının yerini alacak şekilde kabullerden oluşmaktadır. Modelin karmaşıklığı, uygulanacak sisteme etki eden birçok faktöre bağlıdır. Oluşturulacak model, sistemin karakterini gerçekçi bir şekilde simüle edebilecek kadar karmaşıklığa sahip olmalıdır. Modelin karmaşıklığının istenilenden fazla olması hem parametrelerin belirlenmesinde, hem de modelin çıktısının alınması için gereken zaman üzerinde olumsuz yönde etki edecektir. Çok karmaşık modellerin oluşturulması sistemin davranışına etki eden parametrelerin ayıklanmasını zorlaştıracaktır. Tersi durumda modelin basitliği, sistemin gerçekçi bir şekilde simüle edilmemesi sonucunu doğuracaktır. Oluşturulacak model, mümkün olduğunca gerçekçi ve hızlı bir çözüme imkan verecek kadar genişletilmiş olmalıdır. Model oluşturulmadan önce ihtiyaçlar kesin bir şekilde belirlenmeli ve ona uygun olarak oluşturulmalıdır. Eğer amaç sadece fiziksel sistemi temel düzeyde anlamak ise basit modeller bunun için yeterlidir. Ancak havacılık mühendisliği gibi içerisinde birçok parametrenin etkin olduğu ve bu parametrelerdeki değişimin sonuca etkilerinin büyük olduğu alanlarda karmaşık ve genelleştirilmiş modellerin oluşturulması gerekmektedir. Ekonomik nedenlerden dolayı titreşim problemlerinin tasarımı aşamasında müdahale edilmesiyle oluşacak problemi ön görecek metotlar ve modeller uygulanmalıdır. Bu yaklaşım, prototip oluşturma ve deneysel veri setlerini her tasarım için ayrı ayrı oluşturma maliyetinden kurtaracaktır. Kabuk yapılar uçak, makine, gemi ve inşaat mühendisliğinde kayda değer öneme sahiptir. Bu denli öneme sahip olmalarının nedeni yapıların dinamik davranışı, dayanımı ve stabilitesi için optimum şartları sağlamasıdır. Kabuk yapılarının sağladığı bu avantajlar, kabukların geometrik özelliklerinden gelmektedir. Kabuk yapılar üç boyutlu ve yüzey geometri eğrilikleriyle tanımlanan yapılardır. Ancak bu yapılar, üç boyutlu olarak modellenmesi sonucunda karmaşık ve çözülmesi zor denklemlere dönüşmektedir. Bu zorluğun üstesinden gelmek için çoğu model, kabuk yüzeyine dik doğrultudaki eksen ihmal edilerek iki boyuta indirgenmiştir. Bir yapının eğriselliği yapının hem statik hem de dinamik davranışına etki etmektedir. Bunun dışında bu eğrisellik örnek olarak bir kanadın aerodinamik karakteristiğini oluşturmaktadır. Değişken eğriliğe sahip bir yapıya uygun model oluşturulması sadece optimal bir yapı tasarlamak için değil, aynı zamanda aerodinamik karakteristiğe önem verilerek tasarlanmış bir geometrinin yapısal özelliklerinin belirlenmesinde de olanak sağlayacaktır. Katmanlı kompozit plak ve kabukların mühendislik uygulaması son yıllarda ivmelenerek artmaktadır. Bu durum katmanlı kompozit yapıların dinamik davranışlarının araştırmasına olan ilgiyi de arttırmıştır. Kompozit malzemeler, geleneksel malzemelere göre daha düşük ağırlığa dayanma ve rijitliğe sahip yapıların tasarlanmasına olanak sağlanmaktadır. Teknolojideki hızlı değişim süreci sadece bir yapının tasarım aşamasına değil, onun farklı çalışma koşulları altında nasıl davranacağına, bu davranışın kontrollü bir şekilde nasıl müdahale edilebileceğine dair yeni olanaklar ortaya çıkarmıştır. Önceden bir yapının dinamik davranışının değiştirilmesi için uygulanabilecek yöntemler arasında malzemenin değiştirilmesi, damperler eklenmesi vb. kısıtlı birkaç yöntem yer almaktadır. Kontrol sistemlerinin gelişmesi yapıların farklı çalışma koşullarındaki değişikliklere uyarlanabilmesine olanak sağlamaktadır. Kontrol sistemleri, sağladığı bu avantajlar ile uçaklar, köprüler, makinalar, robotlar ve uzay yapıları gibi birçok uygulamada da hızlıca kabul görmüştür. Uzay yapıları gibi statik kuvvetlerin sıfıra yakın ya da çok düşük olduğu ve ağırlığın büyük bir maliyete neden olduğu alanlarda hafif yapıların önemi artmıştır. Ancak bu durum yapının titreşim modlarının çok düşük frekanslarda bile uyarılmasına yol açmaktadır. Geleneksel yöntemlerle bu durumun üstesinden gelmek yapının rijitliğinin arttırılmasıyla ya da damperler eklenmesiyle mümkündür ki bu yapının ağırlığının artmasına ve dolayısıyla maliyetlerinin artmasına da neden olmaktadır. Ancak titreşimi kontrol altına alabilecek aktif/pasif sistemler uygulanması birçok soruna hızlı ve kolay bir çözüm sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis comprehensively covers the analysis of variably curved composite sandwich beams and shells with viscoelastic cores. In the study, layer-wise based first order shear theory is applied to model N-layered beams and shells. This theory is an approach where each layer is considered separately and the relative motions between the layers are taken into account. Especially in the case of composite structures, layer-based modeling allows for a more accurate representation of the mechanical properties of each layer. The governing equations and boundary conditions for beams and shells in sandwich structures are derived using the virtual work principle. The virtual work principle is a widely used method for deriving the equations of engineering systems. The eigenvalue problems defined by the governing equations are solved by using the General Differential Quadrature Method (GDQM) in the numerical solution phase. GDQM is a method that provides fast and precise results and is an effective technique especially in solving differential equations. This method has been used to analyze the dynamic properties of beams and shells and has provided high accuracy in obtaining numerical solutions. Additionally, a novel technique is applied for vibration and damping analysis of laminated curved beams and shells. This technique is based on interpolation of the curvature along the mid-section curve of the beam using Lagrange interpolation polynomials. Lagrange interpolation allows drawing a smooth curve between certain points and thus the curvature of the beam is modeled more precisely. This approach offers a great advantage especially in the study of vibration and damping behavior of structures with variable curvature. The study also examined in detail the effects of system parameters on the vibration frequency and loss factor. These parameters include the thickness of the layers, the materials used in the layers and the lamination angle of the surface layers. While the layer thicknesses affect the structural strength and flexibility of each layer, the materials used directly determine the mechanical properties of the beam and shell. The lamination angle is an important parameter that affects the resistance of the composite structure to directed forces and its structural behavior. The effects of these parameters on the vibration frequencies and damping capacities have been extensively investigated and various analyses have been performed. The results obtained were verified by comparing them with the findings in the literature, whenever possible. In cases where there were no similar studies in the literature to make comparisons, the results were verified with Finite Element Method (FEM) solutions. FEM is a widely used method for solving complex structural problems and was used as an effective comparison tool to evaluate the accuracy of the results obtained in this study. As a result, the accuracy and effectiveness of the methods and models developed in this thesis have been successfully proven. The analyses made provide significant contributions to a better understanding of the vibration and damping behavior of variable curvature composite beams and shells. In addition, the innovative methods presented in this study provide a basis for future studies in this field
Benzer Tezler
- Demiryolu araçları için yeniden tutunma kontrolünün ve kararlılık analizlerinin yapılması
Re-adhesion control and stability analysis for a railway vehicle
ÇAĞLAR UYULAN
Doktora
Türkçe
2017
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN GÖKAŞAN
- Rijitliği değişen yapıların titreşimi
The vibration of the structures with variable stiffness
EROL DEMİRKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. F. NECLA KADIOĞLU
- Design and analysis of robust electromechanical active suspension systems
Gürbüz elektromekanik aktif süspansiyon sistemleri tasarımı ve analizi
ORHAN KORAY ÇALIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM SİNA KUSEYRİ
- İki serbestlikli sistemlerin lineer olmayan titreşimleri
Nonlinear oscillations of two-degree freedom systems
M.YAŞAR ERTEMEL