Geri Dön

Frekans alanı yorulma analizlerinin, zaman alanı yaklaşımı ile karşılaştırmalı olarak güvenilirliğinin incelenmesi

A compartive investigation of the reliability of frequency-domain fatigue analyses using a time-domain approach

PDF İndir

  1. Tez No: 954791
  2. Yazar: AHMET FATİH TURHAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  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: 93

Özet

Bu tez çalışmasında, bir yapısal sistemin rastgele titreşim yüklemeleri altındaki yorulma davranışı, zaman alanı ve frekans alanı yaklaşımları kullanılarak ayrıntılı şekilde analiz edilmiş ve her iki yöntem karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Çalışmanın temel amacı, frekans alanında farklı frekans çözünürlüğü değerleriyle elde edilen güç spektral yoğunluğu temelli yorulma analizlerinin, zaman alanında yürütülen transient dinamik analizlerle ne derece benzer veya farklı sonuçlar verdiğini ortaya koymak ve bu iki yöntem arasında güvenilirlik açısından anlamlı bir karşılaştırma yapmaktır. Bu kapsamda, analizlerde kullanılmak üzere üç farklı ivme-zaman serisi oluşturulan kod kullanılarak Gaussian dağılım varsayımına uygun şekilde sentetik olarak üretilmiştir. Bu zaman alanındaki sinyaller, frekans alanına dönüştürülerek beş farklı frekans çözünürlüğü değeriyle işlenmiş, böylece çeşitli frekans çözünürlüklerine sahip güç spektral yoğunluğu dağılımları elde edilmiştir. Frekans alanı yorulma analizlerinde, geniş bant spektrum karakteristiğine sahip rastgele titreşim yüklemeleri için literatürde yaygın şekilde kullanılan Dirlik yöntemi esas alınmıştır. Analizler esnasında kullanılan sonlu elemanlar modeli Altair HyperMesh yazılımı ile oluşturulmuş ve tüm yapısal çözümler OptiStruct çözücüsü ile gerçekleştirilmiştir. Öncelikle, modal analiz gerçekleştirilerek yapının mod şekilleri ve frekansları elde edilmiştir. Sonrasında, zaman alanında transient dinamik analizler koşturulurken, frekans alanında rastgele titreşim analizleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu analizler sonucunda elde edilen değişken gerilme verileri ile yorulma ömrü tahminleri yapılmıştır. Tüm yorulma analizleri Altair HyperLife yazılımı ile yürütülmüş ve farklı MÇG değerlerine karşılık gelen S-N eğrileri kullanılarak değerlendirme yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, her iki analiz türünde de gerilme dağılımının yapısal olarak benzer olduğunu, kritik bölgelerin değişmediğini ortaya koymuştur. Ancak frekans çözünürlüğü değerine bağlı olarak gerilme genlikleri ve buna bağlı olarak ömür tahminlerinde belirgin farklar gözlemlenmiştir. Özellikle düşük çözünürlükteki spektral analizlerde önemli oranlarda farklılıklar ortaya çıkmış, bu da analizlerin güvenilirliğini doğrudan etkilemiştir. Hem çözüm doğruluğu hem de hesaplama verimliliği açısından en dengeli sonuç çalışmanın sonucunda sunulmuştur. Bu nedenle, frekans alanı yorulma analizlerinde güvenilir ömür tahminleri elde edebilmek için uygun spektral çözünürlük seçimi kritik öneme sahiptir.

Özet (Çeviri)

In this thesis, the fatigue behavior of a structural system subjected to random vibration loading was comprehensively analyzed using both time-domain and frequency-domain approaches. The primary aim of the study was to investigate how fatigue life estimations obtained through power spectral density (PSD)-based methods at varying frequency resolutions in the frequency domain correspond to the results of transient dynamic simulations in the time domain. A detailed comparison was conducted to highlight the similarities, differences, and engineering implications of each method in terms of reliability and computational efficiency. To achieve this, three synthetic acceleration-time histories were generated in MATLAB under the assumption of Gaussian-distributed data, which is consistent with the requirements of frequency-domain fatigue analysis. Each signal was transformed into the frequency domain using the Fast Fourier Transform, and five different frequency resolutions were applied: 0.977 Hz, 0.488 Hz, 0.244 Hz, 0.122 Hz, and 0.061 Hz. These variations allowed for an examination of how resolution impacts fatigue life predictions derived from PSD data. The structural finite element model was developed using Altair HyperMesh, and all simulations were conducted using the OptiStruct solver. A modal analysis was first performed to extract the natural frequencies and mode shapes of the structure. Then, transient dynamic simulations were carried out in the time domain to obtain stress-time data, which was analyzed using the Rainflow counting algorithm to estimate fatigue life based on stress-life (S-N) curves. In the frequency domain, fatigue analyses were performed using the Dirlik method, which is widely used for broadband random vibrations, and fatigue life was computed based on the spectral moments derived from the PSDs. All fatigue analyses were conducted using Altair HyperLife software, and the evaluations were based on a range of S-N curves corresponding to different ultimate tensile strength (UTS) values. To isolate and directly observe the effect of frequency resolution on fatigue life predictions, the influence of mean stress was intentionally neglected in all evaluations. This approach ensured that the comparison between time-domain and frequency-domain results focused purely on the differences arising from signal processing and analysis methodology, without the confounding impact of mean stress correction models. The results demonstrated that the spatial distribution of stress remained consistent across both time-domain and frequency-domain simulations, regardless of the frequency resolution used. However, despite the consistent stress distribution patterns, significant variations were observed in stress amplitudes and resulting fatigue life predictions depending on the frequency resolution. In particular, analyses using low frequency resolution (e.g., 0.977 Hz) failed to adequately capture the spectral content of the signals, leading to over or underestimation of stress amplitudes and consequently unreliable fatigue life predictions. On the other hand, excessively high resolutions did not always result in better accuracy and sometimes led to divergence in life predictions due to over-sensitivity in spectral moment calculations. Among the tested resolutions, 0.488 Hz provided the most reliable and accurate results when compared with time-domain fatigue life estimations. The average absolute percentage error at this resolution was only 3.63%, whereas the error at 0.977 Hz reached as high as 186.83%. Resolutions of 0.244 Hz and 0.122 Hz also yielded reasonably accurate results, but with longer computational times. The most computationally efficient analysis was performed at 0.977 Hz, taking less than 20 minutes, but it lacked accuracy. In contrast, the 0.061 Hz resolution required over 3.5 hours of processing time with minimal gains in accuracy, demonstrating that higher resolution does not necessarily equate to better outcomes. These findings emphasize that an optimal frequency resolution must balance accuracy and computational efficiency. For the signal length of 10,000 samples used in this study, resolutions of 0.488 Hz and 0.244 Hz (corresponding to NFFT values of 4096 and 8192, respectively) were found to be ideal. However, for longer-duration signals (e.g., with 100,000 or 500,000 samples), higher FFT sizes (e.g., 16,384 or more) would be required to improve frequency resolution and ensure statistical reliability in the PSD estimates. This study demonstrates that while frequency-domain fatigue analysis offers significant time-saving advantages over time-domain methods, its reliability is highly dependent on the choice of frequency resolution. Selecting an appropriate resolution is critical not only for accurately identifying critical stress regions but also for obtaining trustworthy fatigue life predictions. The results provide valuable guidance for engineers and researchers employing frequency-domain techniques in the fatigue analysis of structures subjected to random vibrations, highlighting the importance of careful parameter tuning in spectral-based fatigue methods. Furthermore, this study offers practical insights for engineers dealing with structural design and durability assessments in industries where random vibration is a critical operational factor such as aerospace, automotive, and marine engineering. Components in these domains are frequently exposed to broadband vibrational environments due to turbulence, road roughness, or wave loads. Hence, the findings of this research provide a methodology for selecting suitable fatigue analysis approaches and spectral parameters depending on design constraints and available computational resources. The demonstrated effectiveness of moderate frequency resolution (e.g., 0.488 Hz) in balancing accuracy and efficiency can help guide simulation strategies in early-stage product development, where fast iteration and decision-making are often crucial.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    954809

    A novel approach for robust identification and characterization of mechanical shock loads for structural durability assessment

    Yapısal dayanım değerlendirmesi için mekanik şok yüklerinin tespiti ve işlenmesine yönelik yeni bir yaklaşım

    DOĞUKAN ELİBOL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MESUT KIRCA

  2. Tez No

    142597

    Yeni Cami'nin akustik açıdan performans değerlendirmesi

    Evaluation of the acoustical performance of the New Mosque

    EVREN YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVTAP YILMAZ DEMİRKALE

  3. Tez No

    887775

    Structural assessment and fatigue evaluation of a 60-year-old linkspan bridge in Northeast of England

    Kuzeydogu Ingıltere'de 60 yıllık lınkspan koprusunun yapısal degerlendırmesı ve yorulma analızı

    EMRE USTA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KADİR ÖZAKGÜL

  4. Tez No

    693861

    Experimental and theoretical fatigue analysis of avionic unit mounting brackets integrated on an unmanned aerial vehicle under random vibration environment

    İnsansız hava aracına entegre edilmiş aviyonik birimin montaj braketlerinin rastsal titreşim ortamında deneysel ve teorik yorulma analizleri

    ÖNER MURAT AKBABA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BORA YILDIRIM

  5. Tez No

    510569

    Validation of dynamic models of additive manufacturing parts

    Katmanlı imalat ile üretilen parçaların dinamik modellerinin doğrulanması

    AKIN ORHANGÜL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK

Geri Dön