Prediction of load distribution based on DPIV images for a flexible wing undergoing plunge motion
Dalma hareketi yapan esnek kanat için DPIV görüntülerine göre yük dağılımı tahmini
- Tez No: 953031
- Danışmanlar: PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM, DR. ONUR SON
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
Yapılan bu yüksek lisans tezinde temel amaç, kanat üzerindeki kuvvet ve basınç dağılımının görüntü işleme yöntemi kullanılarak belirlenmesidir. Basınç dağılımını belirlemek, aerodinamik özellikleri araştırmak için ana amaçtır. Lexan ve 3DPrinted olmak üzere iki farklı kanat tipi kullanıldı. MathWorks tarafından üretilen MATLAB yazılımının R2021a versiyonu kullanılarak kuvvet dağılımı ve basınç dağılımını belirlemek için bir görüntü işleme kodlaması oluşturuldu. Kanat yapılarının yapısal esnekliği, kanat şekilleri, kuvvet dağılımı ve aerodinamiği, mikro hava araçlarının ve insansız hava araçlarının iyileştirilmesinin ana içeriği olarak ele alınabilir. İyileştirmeyi ve geliştirmeyi sağlayabilmek için günümüzde çeşitli gözlem teknikleri kullanılmaktadır. Parçacık Görüntüsü Velosimetrisi (PIV), gözlem tekniklerinden bir tanesidir. PIV akış karakteristiğini gözlemlemek için kullanılan bir lazer ölçüm tekniğidir. Akışın hız özellikleri çekilen iki resim arasındaki çapraz korelasyon ile bulunur ve bulunan bu özellikler vektörlere dönüştürülür. Vektörler yardımıyla akış incelenebilir. Görüntü işleme yöntemi, kanadın deformasyonunu ve yer değiştirmesini belirlemek için kullanıldı. Kuvvet dağılımı, görüntü işlemeden elde edilen çıktılarla hesaplandı. Görüntülerin veri seti ve sonuçların deneysel kuvvet ölçümleri, İstanbul Teknik Üniversitesi Trisonik Laboratuvarı'nda daha önce yapılan bir doktora çalışmasından alındı (Son, 2018). Çalışmanın sonucunda elde edilmek istenen asıl hedef, bir kanat veya yapının deformasyonundan basınç dağılımını ve verimini belirlemek için deneysel çalışmalarla birleştirilmiş bir görüntü işleme yönteminin validasyonu ve optimizasyonudur. Bu tezin araştırması, Son (2018) tarafından hazırlanan çırpan kanat aerodinamiğinde esneklik etkilerinin deneysel olarak araştırıldığı doktora çalışmasıyla ilgilidir. Görüntü işleme için sırasıyla ikilileştirme ile görüntüyü matris formuna getirmek, maskeleme ile kuvvet sensorunu olduğu sabit kısmın veri resminden temizlenmesi ve sadece esnek kısmın elde edilmesi, görüntünün filtrelenerek parçacıklardan temizlenmesi ile sadece kanadın elde edilmesi ve elde edilen kanat görüntüsüne ait bir eğrinin elde edilmesi adımları uygulandı. Deneyde Rigid, Lexan, Asetat ve colorfabb_xt olan 3D Printed olmak üzere dört farklı model kullanıldı. Görüntü işlemede plakaların bükülmesinin gözlemlenebildiği esnek yapıdaki 3D Printed kanatlar kullanıldı. Asetat kanat, plaka kalınlığı su kanalında kullanılan cam küre partikül boyutuna yakın olması ve görüntü işleme sırasında kalınlığı nedeniyle filtrelenememesinden dolayı kullanılmadır. Lexan kanat ise kullanılan görüntülerin veri setindeki parlaklık sorunu nedeni ile kullanılamadı. Lexan kanat, kuvvet sonuçlarının elde edilmesinde kullanılmazken, malzeme özellikleri açısından daha kesin üretim verilerine sahip olduğu için denklemlerin ve verilerin doğrulanmasında kullanıldı. Kütle ve direngenlik matrislerini doğrulamak için serbest titreşim altındaki doğal frekanslar ve mod şekilleri analitik olarak hesaplandı. Sonlu eleman analiz programları olan PATRAN ve ABAQUS kullanılarak sistem plaka ve kiriş olarak modellendi. Tezde kullanılan kütle ve direngenlik matrislerinin determinantları kullanılarak doğal frekanslar ve mod şekilleri hesaplandı. Analitik birincil doğal frekans çözümü esas sonuç kabul edilerek hesaplanan toplam 8 adet doğal frekans karşılaştırılarak çözüm yaklaşımlarının doğruluğu incelendi. Malzeme özellikleri ve doğal frekanslar deneysel verilere göre hesaplandı. Hesaplamalarda kullanılan kanatların ortalama sönümlü doğal frekansları Printed için 10.75 rad/sn, Lexan için 14.26 rad/sn ve Acetate için 3.21 rad/sn, ortalama sönüm oranları sırasıyla 0.219, 0.175 ve 0.427 olarak bulundu. Akış kaynaklı oluşan ve hesaplanan ek kütle her kanat için 1.394 kg olarak bulundu. Bağlantı elemanlarının ve kuvvet sensörünün kütlelerinin eklenmesiyle bulunan atalete etkiyen toplam kütleler ise Lexan kanat için 1.510 kg, Printed kanat için 1.507 kg ve Acetate kanat için 1.496 kg olarak bulundu. Kuvvet hesabı için kütle, sönüm ve direngenlik parametreleri kullanıldı. Kütle iki farklı yöntem olan parçalı kütle, kütlenin düğüm noktalarına eş olarak dağıtılması ve bağlı kütle, kütlenin düğüm noktalarının birbirleri ile etkileşimlerine göre dağıtılması, olarak hesaplandı. Sönüm katsayısı ani kuvvet uygulanıp sistemin sönümlenmesi beklenirken elde edilen kuvvet grafiği yardımıyla iki tepe noktası arası zaman ve iki tepe noktasında oluşan maksimum değer olarak iki farklı yöntem ile hesaplandı. Direngenlik matrisi üç farklı yoldan hesaplandı. Birinci yöntem, sistemin esneklik matrisinin bulunarak tersinin alınmasıyla elde edilen direngenlik matrisi, ikinci yöntem, sonlu elemanlar denklemlerinin MATLAB kullanılarak hesaplanması ve son yöntem sistemin kütle-yay olarak modellenmesi ile elde edilen direngenlik matrisi olarak kullanıldı. Bu üç yöntem aynı zamanda kuvvet hesaplama yöntemlerinin temelini oluşturdu. Hareket sırasında kuvvet sensörünün konumu MATLAB koordinatlarına göre hesaplandı. Dokuzuncu derece bir polinoma sahip eğri yerleştirildi. Eğri 10 eşit parçaya bölünerek ölçüm noktaları belirlendi. Düğüm noktalarının konumları ve sapması hesaplandı. Elde edilen eğrilerin ve ölçüm noktalarının arka arkaya gelen her resimde konumlarına göre bir hareket denklemi uygulanarak kuvvet hesabında kullanılması sonucunda ölçüm noktaları üzerindeki kuvvet ve kanat üzerindeki kuvvet dağılımı elde edildi. Basınç dağılımları 5 mm ve 40 mm arası 4 farklı genlik ile 0.75 Hz ve 1.75 Hz arası 5 farklı frekans için hesaplandı ve deneyden elde edilen değerler ile karşılaştırıldı. Deneysel çalışmada kullanılan 0.75 Hz altında kalan frekanslar çözüm yöntemlerinin hata oranlarının yükselmesi nedeni ile incelenmedi. 1.75 Hz üzerindeki frekans değerleri ise resim veri setlerinin uygun olmaması nedeni ile çalışmada kullanılmadı. Tez çalışması içerisinde sistem incelenirken birinci mod şekli üzerine ve sistem kiriş olarak modellenerek çalışıldı. Bazı durumlar için deneylerde elde edilen kuvvet dağılımı ile uyumlu kuvvet verisi görüntü işleme yöntemi kullanılarak elde edilebildi. Esneklik matrisinin tersi kullanılarak yapılan hesaplamalarda yönteminin doğruluğu daha düşük frekans ve büyük genlikler için daha yüksek olduğu, ancak genliğin sabit olduğu durumlarda artan frekansla doğruluğun arttığı gözlemlendi. Maksimum kuvvetin deney verileriyle karşılaştırılmasında hata oranı %10'dan yüksek olduğu görüldü. Kütle yay modelinde de hata oranı %17'nin üzerinde olduğu görüldü. Sistemin kütle-yay olarak modellendiği ve esneklik matrisinin tersi kullanılarak elde edilen yöntemlerde kuvvet dağılımları incelendiğinde ölçüm noktaları arasında kuvvetin sürekli yön değiştirdiği görüldü. Hata oranlarının yüksekliği ve kuvvet dağılımı değerlerinin uyumsuzluğu nedeni ile esneklik matrisinin tersi yöntemi ve sistemin kütle-yay olarak modellenmesi çözüm kısmında değerlendirilmedi. Sonlu elemanlar yöntemi, serbest titreşim için doğal frekansların hesaplanması açısından doğrudur ve hareketin bir periyodu için kuvvet değerleri deneysel çalışma ile uyumludur. Artan genlik ve frekans ile hata oranları azalır. MATLAB kullanılarak uygulanan sonlu elemanlar yöntemi ile maksimum kuvvet değeri için hata oranı genel olarak %8'den düşük, maksimum kuvvetin bir periyot içesindeki zaman kayması ise %2'den küçük olarak bulundu. Maksimum kuvvet hata değerleri 5 mm gibi düşük genlikli durumlarda daha yüksek olarak gözlemlendi. Kuvvet dağılımı iki ölçüm noktası arasında uyumlu olduğu ve genel olarak hücum kenarından firar kenarın doğru arttığı görüldü. Sistemin kiriş yerine plaka olarak modellenmesi, ikinci veya daha yüksek mod şekillerinin incelenmesi, daha kalın kanat seçilmesi yapısal çözüm açısından gelecek çalışmalarda hata oranının düşmesini sağlayabilir. İncelenen alanın veya kanatın parlaklığının arttırılması, kamera kare hızının arttırılması, düşük genlikli verilerde kamera yaklaştırılarak kameranın gördüğü alanın daraltılması ile optik sebeplerden oluşan hata oranı azaltılabilir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, main purpose is the prediction of force and pressure distribution on a wing using image processing. Determining the pressure distribution is the main objective for investigation aerodynamical properties. Two different wing types as Lexan and 3DPrinted, are tested. An image processing code is created to determine the pressure distribution with coding software MATLAB by MathWorks as a version of R2021a. Image processing is used for determining the deformation and displacement of wing. Force distribution is calculated with outputs from image processing. Image data sets and force measurement results are obtained from a previous study performed in Trisonic Laboratory of Istanbul Technical University. Main objective of the study is validation and optimization of an image processing method which is combined with experimental studies for determining pressure distribution and efficiency from deformation of a wing. Research of this thesis is related to the PhD study of Son (2018), titled“Experimental Investigation of Flexibility Effects in Flapping Wing Aerodynamics”. Four different models are used in the experiments which are Rigid, Lexan, 3D Printed, whose material is colorfabb_xt transparent, and Acetate. Image processing is applied only to 3D Printed flexible wing cases. Acetate type is eliminated due to thickness of plate whose thickness is close to glass sphere particle size and eliminated in image processing. Lexan type wing is eliminated due to the brightness issue of the image data set. Material properties and natural frequencies are calculated by weight deflection method. Averaged damped natural frequencies are calculated as 10.75 rad/sec for Printed and 14.26 rad/sec for Lexan and averaged damping ratios as 0.305 and 0.175 respectively. Added masses are 1.133 kg for both plates. In the post processing of images, 9th degree polynomial curve fitted into binarized image. Positions and deflection of nodes are calculated. Forces are calculated for nodes and load distribution is determined. Pressure distribution of wings are calculated for 5 different frequencies with 4 different amplitudes and compared with the integrated value of experiment. A reasonable agreement is found between measured force in experiments and forces determined from image processing for some of the cases.
Benzer Tezler
- Mikro şebekelerde yük ve yenilenebilir enerji kaynakları tahminine dayalı ekonomik yük dağıtımı
Economic load distribution based on load and renewable energy resources forecast in microgrids
MEHMET DAYIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RIDVAN ÜNAL
- Killi ortamda üstyapı etkileşimli sayısal modelde kazıklı yayılı temellerin optimizasyonu
Optimization of piled raft foundations with superstructure interaction in a clayey soil using numerical modeling
DAMLA KILİÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDAT SERT
- Kazık taşıma gücünün sonlu elemanlar yöntemi kullanarak kohezyonlu lineer olmayan zemin davranışında incelenmesi
A study on the single pile bearing capacity computed with finite element method
CUMHUR TOKGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. TUĞRUL ÖZKAN
- Kazıkların eksenel ve yatay yük taşıma kapasiteleri
The bearing capacity of piles under axial and lateral loading
NİLAY DURLANIK
- 5G ötesi aşırı yoğun heterojen haberleşme ağlarında el değiştirmelere dayalı hücresel ağ iyileştirmesi
Handover-based cellular network healing in beyond 5G ultra dense heterogeneous communication networks
ABDUSSAMET HATİPOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA