Geri Dön

Optimization and finite element analysis of metastructures for vibration mitigation

Titreşim azaltımı için metayapıların optimizasyonu ve sonlu elemanlar analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 999493
  2. Yazar: ELİF NUR YAŞAR
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ KAAN YILDIZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Uçak Mühendisliği, Mechanical Engineering, Defense and Defense Technologies, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Titreşim, Titreşim analizi, Titreşim emici, Titreşim frekansı, Titreşim kontrolü, Vibration, Vibration analysis, Vibration absorber, Vibrational frequency, Vibration control
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu çalışma, metayapılara ve onların potansiyellerine dair genel bir yaklaşım sunmaktadır. Metayapılar; modelleme, optimizasyon, analizi ve yenilikçi imalat yöntemlerini bir araya getiren inovatif yapılardır. Mühendislikte metayapılar, geleneksel yapısal davranışların ötesine geçmeyi amaçlar ve bunu lokal,ayarlanabilir absorberlar aracılığıyla gerçekleştirir, daha hafif, daha dayanıklı ve daha fonksiyonel sistemlerin geliştirilmesine olanak tanır. Metayapı geliştirme süreçlerinde birçok mühendislik adımına yer verilmektedir. Savunma teknolojilerinde titreşim kontrolü, özellikle hava ve kara platformlarında görev yapan sistemlerin ömür ve güvenilirliği açısından kritik bir parametredir. Bu nedenle, metayapı yaklaşımı sadece teorik değil, aynı zamanda stratejik bir öneme de sahiptir. Birinci bölümde metayapıların tanımına ilişkin genel bir giriş yapılmış, devamında ise tezin amacı ile savunma teknolojileri açısından önemi ifade edilmiştir. İkinci bölümde metamaddelerden metayapılara geçişi ve metayapıların benzer konsept ve çalışmalar derlenmiştir. Artan performans ihtiyaçlarına geleneksel malzemeler yetersiz kaldığından, tasarımla elde edilen olağandışı özelliklere metayapılar sayesinde ulaşılmıştır. Bu malzemeler; titreşim azaltma, gürültü önleme ve dalga yayılımını yönlendirme gibi amaçlarla ulaşımdan havacılığa, biyomedikalden savunmaya kadar geniş bir kullanım potansiyeline sahiptir. Eklemeli imalat gibi imalat yöntemlerindeki ilerlemeler karmaşık, biyomimetik yapılara imkan vererek doğal gözenekli yapılardaki özel geometrilerin mühendislikte taklit edilmesini kolaylaştırmıştır. Böylece, karmaşık kütle ve absorber tasarımlarının uygulanabilirliği artırılmaktadır. Metayapı kavramı, mekanik metamaddelerin yapısal ölçeğe uyarlamasıdır. Ana taşıyıcı üzerine boylamsal olarak dağıtılmış yerel absorberların entegrasyonuyla belirli frekans aralıklarında durdurma bantları oluşturulması ile elde edilir. Klasik yöntemlerde üretim sonrası eklenen damper sistemleri geleneksel sönümleme elemanları kütleyi ve maliyeti artırırken, metayapılar bu elemanları tasarım aşamasında entegre olarak toplam ağırlığı değiştirici yönde etki etmemektedir. Savunma teknolojilerinde metastrüktürler; uçak kanatları gibi aero yüklere sürekli maruz kalan yüzeylerde periyodik rezonatörlü çözümler sayesinde aerodinamik yükler altında titreşim bastırma amaçlı kullanılabilir. Geniş bantlı titreşim azaltımı, tek bir osilatörün sınırlı etkisinin aksine, çoklu yerel rezonatör dizilerinin kolektif dinamiğiyle elde edilir. Tasarım aşamasında gömülü, periyodik/düzensel kafes veya biyomimetik hücreler kullanılarak kütle artışı minimize edilirken; ayarlanabilir parametreler (frekans sınırları, kütle oranı, dağılım) optimizasyonla belirlenir. Üçüncü bölüm de, hem sönümleyicisiz hem de sönümleyicili yapı basitleştirilmiş kütle–yay–sönüm elemanları şeklinde modellenmiştir. Üç boyutlu etkiler ihmal edilerek tek boyutlu bir yaklaşım benimsenmiş ve bu şekilde elde edilen kütle, rijitlik ve sönüm matrisleri optimizasyon çalışmaları için temel oluşturmuştur. İkinci aşamada daha gerçekçi bir temsil sağlamak amacıyla consistent kütle modeli kullanılmıştır. Yapının dış yük altındaki yer değiştirme tepkisi transfer fonksiyonu üzerinden tanımlanmış ve buna bağlı olarak frekans cevabı fonksiyonu (FRF) elde edilmiştir. FRF eğrisi altındaki alan, performans ölçütü olarak kullanılmış ve bu alanın hesaplanmasında MATLAB'de trapez kuralı yöntemi uygulanmıştır. Böylece, yapının titreşim azaltma performansı hesaplanmıştır. Performansın iyileştirilmesi adına yapılan optimizasyonlarda PSO kullanılmıştır. Kuş sürüsü ve balık sürüsü davranışından esinlenen PSO algoritması MATLAB ortamında uygulanmıştır. Parçacıkların konum ve hızları, hem kendi en iyi deneyimlerinden hem de sürünün en iyi sonucundan yararlanarak güncellenmiştir. Böylece sistem, daha iyi çözümler üreten bölgeler yönünde sonuç üretmektedir. PSO, az sayıda parametreye ihtiyaç duyması, hızlı çalışması ve birçok değişkeni aynı anda küresel optimuma ulaşabilmesi nedeniyle tercih edilmiştir. Algoritmanın güvenilirliğini başka bir alanda da sınamak adına basit bir DC motorun elektriksel ve mekanik parametreler tahmin edilmiştir. Deneysel verilerden elde edilen akım ve hız değerleri ile kurgulanan modelden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Parametre tahminlerinde hata oranı oldukça düşük çıkmıştır. Bu durum PSO'nun hem metastrüktür modeli hem de farklı mühendislik sistemleri için uygulanabilirliği doğrulanmıştır. Dördüncü bölüm , çalışmanın yöntemini ve farklı değişkenlerin optimum değerlerini arayan senaryolar oluşturulmuştur ve sonuçları irdelenmiştir. Sistem, ayrıklaştırılmış tek eksende hareket edecek şekilde modellenmiştir. Amaç, ayrıntılı bir FEM yerine hesaplaması pratik bir modelle PSO'nun uygulanabilirliğini ve performans kazanımlarını incelemektir. Malzeme tipi, toplam uzunluk ve toplam kütle gibi belirli yapısal parametreler sabit tutulmuştur. Optimizasyon için MATLAB R2024b kullanılmıştır, parçacık sayısı, atalet ağırlığı ve ivme katsayıları sabit seçilmiştir. Çalışma kapsamında,“metayapı”ve“baseline yapı”olmak üzere iki tanım kullanılmıştır. Bu tanımlar, toplam kütle, toplam uzunluk ve malzeme bilgisinin sabit tutulduğu; ancak geometrik konfigürasyonları farklı iki yapının karşılaştırılması amacıyla geliştirilmiştir. Metayapı, optimizasyon sonucunda elde edilmiş ve yapı boyunca sıralı olarak yerleştirilmiş sönümleyiciler içeren bir tasarımdır. Baseline yapı ise herhangi bir sönümleme amacı gözetilmeden oluşturulan yalın yapı modelidir. Bu iki yapı arasındaki kıyaslama, optimizasyonun performansa olan katkısını açıkça ortaya koymaktadır. İlk senaryoda literatürden referans alınmış benzer değerler ile model oluşturulmuş ve kodların doğru çalışıp çalışmadığı sorgulanmıştır. Çeşitli konfigürasyonlarda elde edilen sonuçlar referans sonuçlarla uyumlu bulunmuş, kod ve algoritma doğrulanmıştır. İkinci senaryoda toplam kütle ve uzunluk sabitken yapı farklı eleman sayılarınca bölünmüştür ve ilk doğal frekans hesaplanmıştır. Tüm konfigürasyonlarda absorberler ana yapının ilk doğal frekansına ayarlanmıştır. Absorber sayısı arttıkça performans başlangıçta iyileşmekte, fakat belirli bir noktadan sonra artış hızı yavaşlamakta ve belirli bir değere yakınsamamaktadır bu nedenle yapının bölüneceği eleman sayısı ve buna bağlı olarak absorber sayısında optimum bir değere ulaşılamamıştır; bu yüzden bir kabul ile devam edilmiştir. Üçüncü senaryoda , yalnızca kütle oranı optimize edilmiş ve belirli bir değerde en iyi sonuç elde edilmiştir. Dördüncü senaryoda , kütle oranı sabit tutularak alt ve üst frekans sınırları optimize edilmiş, frekans sınırlarının lineer dağılımı ile performansta belirgin bir artış sağlanmıştır. Beşinci senaryoda ise kütle oranı ile birlikte frekans sınırları da eşzamanlı olarak optimize edilmiş ve ek bir iyileşme elde edilmiştir. Altıncı senaryoda absorberların her birinin frekansı bağımsız (tanımlanmış alt-üst sınırlar içinde) optimize edilmiştir. Kütle oranı değeri, önceki senaryodan alınmıştır. Önceki senaryoya göre sınırlı fakat anlamlı bir iyileşme elde edilmiştir. Lineer dağılıma kıyasla nonlineer dağılımın üstünlüğü gösterilmiştir. Geniş bantlı titreşim azaltımı için absorber frekanslarının dağılım stratejisi kritik önemdedir. Tek frekans ayarından lineer dağılıma; lineer dağılımdan da nonlineer dağılıma geçiş kademeli olarak performans artışı sağlamıştır. Buradaki temel amaç, aynı malzeme, aynı kütle ve aynı maliyetle; yapının fonksiyonel işlevini bozmadan ve hacmini artırmadan, mühendislik bilgisi kullanılarak tasarım aşamasında yapılabilecek iyileştirmeleri ortaya koymaktır. Böyle bir yaklaşım, günümüz mühendislik anlayışında sürdürülebilirlik açısından da önemlidir; çünkü daha fazla malzeme veya maliyet eklemeden performans artışı elde edilmektedir. Optimizasyonu yapılan metayapı, toplam kütlesi artmaksızın, baseline yapıya kıyasla H₂ normunda %50–60 oranında azalma sağlamış ve bu sonuç titreşim azaltımında belirgin bir iyileşmeyi ortaya koymuştur. Bu oran, titreşim mühendisliği literatüründe kayda değer bir başarı olarak değerlendirilmektedir. Metayapılar, geleneksel pasif sönümleme sistemlerinden daha etkilidir. Çünkü genellikle geleneksel yöntemlerde bu seviyede bir iyileştirme ancak ek kütle veya karmaşık aktif kontrol sistemleri ile elde edilebilmektedir. Gerçekleştirilen çalışmalar ve analizler sonucunda, tasarım aşamasında uygulanan bu yöntemler sayesinde, metayapı olarak özelleştirilen mühendislik yapılarının hedeflenen bölgelerde titreşimleri etkili bir şekilde sönümlediği gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar, yalnızca akademik bir katkı değil, aynı zamanda savunma ve havacılık endüstrilerinde doğrudan uygulanabilir çözümler sunmaktadır. Özellikle yüksek frekanslı titreşimlerin kritik bileşenlere zarar vermesini engellemek için metayapıların sunduğu bu avantaj son derece değerlidir. Havacılık sektöründe metastructure tabanlı distributed absorber konfigürasyonları uygulamaları tasarlanmaktadır. Parametrik olarak ayarlanabilir tasarımı sayesinde metayapılar, hassas sönümleme imkânı sunmakta ve bu konsept, yüksek hassasiyetli sistemler için uygun hale gelmektedir. Örneğin, hassas ölçüm cihazları, uydu bileşenleri veya insansız hava araçlarında titreşim izolasyonu ihtiyacı, parametrik olarak optimize edilmiş metayapılar sayesinde daha etkin bir şekilde karşılanabilmektedir.

Özet (Çeviri)

This study provides a general definition of metastructures and their potential. Various engineering steps involved in the development of metastructures are included. After presenting a general introduction to metastructures, the aim of the thesis, its importance in defense technologies, and similar studies in the literature are discussed. The study does not only define terms, but also includes details of engineering strategies applied step by step through a simple, non-complex geometry. First, a mathematical model consisting of a discretized mass-spring system with multiple degrees of freedom is presented using matrix representations. Within the scope of this study, two definitions are used:“metastructure”and“baseline structure.”These definitions are necessary to compare two systems with identical total mass, length, and material properties but different geometric configurations. The metastructure is a design obtained through optimization and includes sequentially placed absorbers along the structure. The baseline structure, on the other hand, is a simple form without any damping elements. In fact, the structure intended to be improved is the baseline structure. The main objective is to propose improvements that can be made during the design phase using engineering knowledge without changing the material, mass, or cost, and without increasing the overall volume, while maintaining the functional purpose of the structure. As a result of the conducted studies and analyses, it has been observed that the engineering structures customized as metastructures effectively suppress vibrations in the targeted regions. In weight-critical applications, lightweight-dependent technologies such as defense, aerospace, automotive and micro-electromechanical systems (MEMS), reducing vibrations without negatively effecting system performance is necessary. In this context, metastructures provide an effective approach to this engineering challenge. Optimized vibration control is made possible by metastructures without altering the original geometric properties of the host structure, such as its material, total mass, or total length. The parametrically tunable design of metastructures enables precise damping; therefore, the concept is considered highly suitable for systems requiring high accuracy. In this study, at the analytical modeling stage, a discrete system model including multi resonators was developed using MATLAB. A multi-degree of freedom (MDOF) spring-mass configuration was used to analyze the vibration mitigation capability of metastructures. The metastructure was designed to be tunable within a targeted natural frequency range. To optimize its structural parameters, particle swarm optimization (PSO), a population-based algorithm inspired by the collective behavior of birds and fish swarms, was implemented. During optimization, critical parameters such as the absorber to main structure mass ratio, absorber natural frequencies, and their upper and lower bounds were considered. A performance metric is required by the PSO algorithm. System performance index is measured using the H2 norm, which corresponds to the area under the FRF graph. The optimized metastructure is shown to demonstrate a 50–60% reduction in the H2 norm compared to the baseline structure, demonstrating marked improvement in vibration mitigation. These results show that resonant regions (critical frequency bands) are suitable for controlled without increasing total mass and that metastructures perform better than traditional damping systems. In future studies, metastructures are potentially manufacturable through advanced methods, such as FFF and can be combined with active control techniques. Advanced development through new materials and special algorithms is expected to enable metastructures of the future to provide increased performance and wide range of applications in various fields of engineering.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    987579

    Vibration reduction by the use of beam-type metastructures with nonlinear attachments

    Lineer olmayan eklentiler içeren kiriş tipi metayapılar kullanarak titreşim azaltma

    BEKİR MERT ÖZCEYLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. ENDER CİĞEROĞLU

  2. Tez No

    703929

    Bina türü yapılar için pasif sönümleyici sistemlerin optimizasyonu ve analizi

    Optimization and analysis of passive damper systems for building type structures

    APAER MUBULI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SİNAN MELİH NİGDELİ

  3. Tez No

    856516

    Rüzgar etkisi altında çerçeve yapıların ayarlı kütle sonümleyicileri ile kontrolü

    Control of frame structures with mass submissions under the impact of wind

    MOHAMED CONDE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SİNAN MELİH NİGDELİ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEDA ÖNCÜ DAVAS

  4. Tez No

    517449

    Meta-malzemelerin ses iletim kaybı davranışlarının incelenmesi

    Investigation of sound transmission loss behaviors of meta-materials

    NİLÜFER DERİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK EROL

  5. Tez No

    634990

    Gemi yapılarında gerilme yığılması öngörülerinin kaba ağ yapısı ve makine öğrenmesi ile gerçekleştirilmesi

    The forecasting of stress concentration in ship buildings by using rough mesh structure and machine learning method

    BURÇİN ATEŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERDAR AYTEKİN KÖROĞLU

Geri Dön