Theses supervised by Dr. Öğr. Üyesi Recep Muhammet Görgülüarslan
12 theses · TOBB Economics and Technology University
Uçak kanadı üzerinde deformasyondan dolayı değişen yük dağılımının hesaplanması için bir parametrik modelleme yönteminin geliştirilmesi
Akışkan-Yapı Etkileşimi etkisi havacılık uygulamalarında incelenen önemli konulardan biridir. Rijit olmayan yapıların, yapı etrafındaki hava hareketlerinin oluşturduğu yükten dolayı şekli değişmektedir. Şekil değişimi ise yapı etrafındaki hava hareketlerini doğrudan etkilemektedir. Uçak için akışkan-yapı etkileşimi düşünüldüğünde uçak kanadı için bu etkinin incelenmesi gerekmektedir. Çünkü uçak kanadı uçağın ana taşıyıcı elemanıdır ve esnek bir yapıya sahiptir. Uçak kanadı üzerindeki şekil değişimi, akışkan-yapı etkileşiminden meydana gelmektedir. Akışkan-yapı etkileşimi etkisinin hesaplamalara dâhil edilmesi yüksek hesaplama maliyeti gerektirir. Bu tez çalışmasında bir uçak kanadı üzerinde deformasyondan dolayı değişen yük dağılımının tekrar hesaplanması için parametrik bir yöntem geliştirilerek etkin bir biçimde sonuca ulaşılması gösterilmektedir. Çalışmanın temeli hızlı ve etkili bir sonuç almak olduğu için akışkan ve yapısal analiz kısımlarında ayrı ayrı basitleştirmeler yapılmıştır. Yüksek çözünürlüğe sahip yapısal model çok daha basit bir yapı olan çubuk modele yapının özellikleri de korunarak indirgenmiştir. Böylece belli bir yük altında yapının şekil değişimi hızlıca tahmin edilebilmektedir. Akışkan analizlerinde ise yüksek hesaplama maliyeti olan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri kullanmak yerine doğrusal aerodinamik varsayımından yararlanılarak kanat üzerindeki basınç katsayısı dağılımı ve buna bağlı yük tahmini yapılmıştır. Doğrusal aerodinamik varsayımı için 'Aerodinamik Etkileşim Katsayıları (Aerodynamic Influence Coefficient (AIC))' matrisi kullanılmıştır. Bu matris şekil değişim bilgisine karşılık gelen basınç katsayısı değişim bilgisini içermektedir. Parametrik yüzey modelleme yöntemlerinden biri olan Bezier yüzey fonksiyonları yardımıyla AIC matrisi oluşturulmuştur. Uçak kanadı dış yüzeyi bu amaç için Bezier yüzey modelleme yöntemi kullanılarak oluşturulmuştur. Yüzey oluşturulurken kullanılan kontrol noktaları (control vertices (CVs)) deforme olmuş yapının yük dağılımını tahmin etmek için kullanılır. Her bir kontrol noktasının bir birim yer değiştirmesine karşılık gelen değişen yük dağılımı bilgisi AIC matrisi içinde birleştirilir. Bu yöntemin en büyük avantajı yüzey üzerindeki tüm noktalara belirli yer değiştirme değeri uygulamak yerine çok daha az sayıdaki kontrol noktalarına yer değiştirme değeri uygulanmasıdır. Ayrıca kontrol noktalarının yer değiştirmesi pürüzsüz bir şekil değişimi olmuş yüzey elde edilmesini de sağlamaktadır. Bu sayede hesaplama maliyeti yüksek olan akışkan analizi yapmak yerine parametrik modelleme yaklaşımı ile AIC matrisi oluşturulup uçak kanadı üzerindeki değişen yük bilgisi hızlı ve etkili bir biçimde tahmin edilebilmektedir. Daha basit modele indirgenmiş yapısal modelden elde edilen şekil değişim bilgisi kontrol noktaları üzerine aktarılarak şekil değişimine uğramış uçak kanadının yüzeyi Bezier yüzey fonksiyonları ile elde edilir. Kontrol noktalarının yeni konumu AIC matrisi ile ilişkilendirildiğinde uçak kanadı üzerindeki değişen yük dağılımı elde edilir. Bu çalışmada kullanılan yöntemler, bir uçağın ön tasarım aşamasında veya iteratif olarak yapılan aeroelastik analizler için hızlı ve etkili bir biçimde sonuca ulaşılmak istendiğinde kullanılabilir. Ayrıca önerilen metodun kullanımı sadece uçak kanadı için değil akışkan-yapı etkileşimi olan diğer yapıları da kapsamaktadır. Anahtar Kelimeler: Akışkan-yapı etkileşimi, Bezier yüzey modelleme, Aerodinamik etkileşim katsayıları matrisi, Aeroelastisite, Multi-fizik.
Kafes yapılı malzemelerde gerinim tabanlı yorulma ömrü hesabı
Günümüzde, eklemeli imalat yöntemleri ile üretilen parçaların yüksek hafiflik kazandırması özelliğinden faydalanmak amacıyla kafes yapıların kullanımına odaklanılmış ve kafes yapıların statik dayanımlarının ortaya konulmasına ilişkin birçok çalışma yürütülmüştür. Fakat, aslında statik dayanım kadar büyük öneme sahip olmasına rağmen, eklemeli imalat yöntemleri ile üretilmiş kafes yapılı malzemelerin dinamik yük altındaki yorulma davranışlarını ortaya koyacak yöntemler henüz olgunlaşmamıştır. Literatürde bu alandaki yapılan araştırmalara bakıldığında, genel olarak deneysel çalışmaların ağırlıkta yürütüldüğü ve nümerik çalışmaların ise gerilme tabanlı ömür tespit yöntemleri ile gerçekleştirildiği görülmüştür. Deneysel çalışmaların yüksek maliyetli olması ve gerilme tabanlı nümerik hesaplamaların ise düşük çevrimli yorulma ömrü (DÇY) bölgesinde verimli bir hesaplama yöntemi olmadığı görülmüştür. Bu sebep ile, bu çalışmada, eklemeli imalat yöntemi ile Ti6Al4V malzemeden üretilmiş kafes yapıların gerinim tabanlı yorulma ömrü tespit metodu kullanılarak ömür analizlerinin gerçekleştirilmesi üzerine çalışılmıştır. Bu çalışmada kullanılan metodolojide, ilk olarak yorulma ömrü tespit edilecek kafes yapının birim hücre geometrisi modellenmiştir. Bu geometrinin gerilme-gerinim eğrisini elde etmek amacıyla statik basma yükü altında sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analizden elde edilen gerilme-gerinim verisinden hesaplanan akma dayanımından başlayıp kademeli olarak azaltılarak elde edilen gerilme değerleri, yorulma ömrü analizi için maksimum gerilme değerleri olarak tanımlanmıştır. Her bir gerilme değeri için kafes yapıya uygulanacak tekrarlı bir yükleme profili oluşturulmuştur. Bu oluşturulan her bir yükleme profili için, gerinim tabanlı Brown-Miller yöntemi kullanılarak yorulma ömür analizi gerçekleştirilmiştir. Böylece, her bir gerilme değeri için yorulma ömrü hesaplanmış ve kafes yapının yorulma ömür eğrisi elde edilmiştir. Aynı kafes yapı için literatürde sunulan deneysel yorulma ömür eğrisi sonuçları ile karşılaştırıldığında, bu çalışmadaki nümerik ömür analizi ile elde edilen ömür değerlerinin daha yüksek çıktığı gözlemlenmiştir. Ortaya çıkan farkın sebebinin, kafes yapının yüzey kısımlarında eklemeli imalat sürecinden kaynaklı meydana gelen kusurlar olduğu öngörülmüştür. Bu kusurlardan dolayı meydana gelecek gerilme konsantrasyon katsayısı, yine sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak tespit edilmiştir. Bu çalışma sonucunda, Ti6Al4V alaşımı ve seçmeli lazer ergitme (SLE) ile üretilen tüm kafes yapılı malzemelerin, katı kütle ömür verileri kullanılarak doğrudan yorulma ömrünü tahmin etmeye yönelik gerilme konsantrasyon katsayısı hesaplamak için analitik bir eşitlik ortaya konulmuştur. Bu eşitlik ile elde edilen, gerilme konsantrasyon değerine göre ömür analizleri farklı kafes yapıları için tekrarlanarak literatürdeki deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmalara göre, önerilen gerilme konsantrasyonu katsayısı hesaplama yöntemi ve birim hücre ile gerinim-tabanlı ömür tespit metodu kullanılarak yapılan kafes yapıların ömür analizlerinin, hem gerilme tabanlı metotlara göre daha doğru sonuç verdiği, hem de farklı kafes yapıları için deney sonuçları ile uyumlu gerçekleştirilebildiği gösterilmiştir.
Negatif Poisson oranına sahip kafes yapılarda geometrik parametrelerin titreşim yalıtımına etkisinin numerik ve deneysel incelenmesi
Kafes yapılar, çubuk, plaka veya matematiksel yüzey elemanların farklı kombinasyonlarda dizilimleri ile farklı mekanik davranışlara sahip olan yapılardır. Düşük ağırlıkta yüksek mukavemet sağlaması ve bunun yanında oldukça iyi enerji emme ve ısı yalıtım özelliklerine sahip olması, bu yapıların literatürde önemli ölçüde dikkat çekmesini sağlamıştır. Günümüzde bu yapılar havacılık, denizcilik, otomotiv ve inşaat endüstrilerinde geniş ölçüde kullanılmaktadır. Kafes yapıların, elemanların farklı dizilimleri ile, farklı şekillerde tasarlanabilir olması, bu yapıların farklı amaçlarda kullanılmasına zemin hazırlamıştır. Bunlardan birisi, bu yapıların titreşim yalıtma işlemlerinde kullanılmasıdır. Örneğin, zemine doğrudan bağlanan bir makinenin, ağırlığı ve dengesizliği sebebiyle zemine uyguladığı harmonik kuvveti azaltmak için esnek bir malzeme olarak kullanılabilir. Bu konu ile ilgili çeşitli çalışmalar yapılmış olmasına rağmen bu çalışmalarda kullanılan kafes yapılar pozitif Poisson oranına sahiptir. Farklı olarak, negatif Poisson oranına sahip olan kafes yapılar da tasarlanabilmektedir. Bu yapılar, geleneksel yapıların aksine eksenel çekme kuvvetleri altında hacmi büyüyen ve eksenel basma kuvvetleri altında hacmi azalan yapılardır. Negatif Poisson oranına sahip yapıların, geleneksel yapılara göre sahip olduğu yüksek kesme direnci, girinti direnci, burkulma direnci, kırılma dayanımı enerji ve ses emme kabiliyeti gibi avantajları, bu yapılar için tıp ve tekstil gibi alanlarda farklı potansiyel kullanım alanları oluşturmuştur. Ayrıca günümüzde, negatif Poisson oranına sahip yapıların basma ve bükülme özelliklerine yönelik çalışmalar olmasına rağmen, titreşim yalıtımına etkisini inceleyen çalışmalar henüz yapılmamıştır. Bu tez çalışmasında, bahsedilen boşluğu gidermek amacıyla, negatif Poisson oranına sahip kafes yapıların titreşim yalıtma performansı incelenmiştir. İlk olarak performansının karşılaştırılacağı pozitif Poisson oranına sahip kafes yapılar literatürden seçilmiş, ardından negatif Poisson oranına sahip yapıların bir türü olan girintili petek (öksetik) yapı kullanılarak literatürden seçilen kafes yapılar ile eş hacme sahip kafes yapılar oluşturulmuştur. Bu aşamada, kafes yapıyı oluşturmada kullanılacak geometrik parametreler de belirlenmiştir. Karşılaştırmanın ardından, belirlenen geometrik parametrelerin, yapının titreşim yalıtım performansına olan etkisini görmek amacıyla farklı parametre kombinasyonlarına sahip kafes yapılar oluşturulmuş ve sonlu elemanlar analizi ile doğal frekans, rijitlik ve maksimum gerilme değerleri hesaplanmıştır. Daha sonra, eklemeli imalat yöntemlerinden biri olan malzeme ektrüzyonu yöntemi ile üretilen numunelere darbe çekici yardımıyla titreşim testleri yapılarak analizlerden elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır. Son olarak, titreşim yalıtımı için kullanılabilecek farklı geometrik parametrelere sahip kafes yapılar için bir tasarım uzayı oluşturulmuştur. Bu çalışmada, tasarım ve analiz adımlarında ticari sonlu elemanlar analiz programı ABAQUS kullanılmış ve tasarlanan bu yapılar ARTIBOYUT A0 3D YAZICI' da üretilmiştir. Titreşim testlerinde, yapının titreştirilmesi ve bu titreşim altındaki ivmelenmesinn ölçülmesi için sırasıyla PCB darbe çekici ve ivmeölçer; elde edilen sinyallerin verilere dönüştürülmesi için LabVIEW yazılımı kullanılmıştır. Bu raporda, tasarım, analiz, üretim ve deney aşamaları hakkında bilgiler detaylı olarak sunulmuştur.
Erimiş filament fabrikasyonu süreç parametrelerinin, üretilen latis yapıların etkin elastik malzeme özelliklerine etkisinin deneysel incelenmesi
Eklemeli İmalat Teknolojisi, ilk ortaya çıktığı zaman hızlı prototipleme için kullanılmış olsa da günümüzde özellikle havacılık-uzay ve savunma sanayinde, otomotivde, medikalde ve enerji sektöründe sıklıkla başvurulan bir yönteme dönüşmüştür. Özellikle latis yapılar gibi boşluklu yapıları sayesinde hafiflik sağlayan karmaşık yapıların katman katman üretilebilmesi, latis yapıların bu üretim teknikleri ile üretilebilirliği ve endüstride kullanılabilirliği üzerine yapılan araştırmaları artırmıştır. Birçok farklı eklemeli imalat tekniği bulunmakla birlikte, erimiş filament fabrikasyonu (EFF) tekniği düşük maliyetli olmasından dolayı yaygın olarak tercih edilmektedir. Fakat, EFF proses parametrelerinin üretilen parçaların mekanik özelliklerine etkisinin yüksek olduğu bilinmektedir. Literatürde EFF proses parametrelerinin mekanik özelliklere etkisi üzerine yapılan araştırmaların büyük çoğunluğu tam dolu numuneler üzerinedir. O yüzden, bu çalışmanın amacı, erimiş filament fabrikasyonu (EFF) ile üretilen latis yapıların etkin malzeme özelliklerine ÖZET v proses parametrelerinin etkisinin incelenmesidir. Bu teknik ile üretilecek numunelerin malzemesi için Polilaktik Asit (PLA) kullanılmıştır. Bu çalışmada üç farklı temel latis yapı türü olan Basit Kübik (BK), Hacim Merkezli Kübik (HMK) ve Yüzey Merkezli Kübik (YMK) seçilmiştir. Elde edilecek numunelerin etkin elastik malzeme özelliklerine en çok etkisi olan ve literatürde yer alan araştırmalarla desteklenen parametreler seçilmiştir. Bu amaçla, EFF için süreç parametreleri olan katman kalınlığı, nozül sıcaklığı ve baskı hızı başlıklarının her biri için üçer seviye belirlenmiştir. Deney tasarımı oluşturulurken Taguchi Metoduna başvurulmuştur. Taguchi metodu ile belirlenen farklı süreç parametre değer grupları için üretilen latis numunelerin basma testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerden basma modülü ve basma dayanımı sonuçları elde edilmiştir. EFF süreç parametrelerinin bu özelliklere etkilerini kıyaslayabilmek adına, MATLAB programı yardımıyla varyans analizi (analysis of variance - ANOVA) yöntemi kullanılmıştır. Bu kafes yapıların üretiminde en yüksek elastik özelliklere sahip olmaları için gerekli parametre değerleri belirlenmiştir. Elde edilen bulgular, latis yapılarla ilgili çalışmalara ışık tutması ve mühendislik uygulamalarında kullanılan tam dolu yapıların yerini latis yapıların almaya başlaması adına yararlı bir kaynak olacaktır.
Eklemeli imalat ile üretilen latis yapılardaki belirsizliklerin rassal alan yöntemi kullanılarak modellenmesi
Latis yapılar, birbirine bağlı çubuk veya yüzey eleman ağından oluşan yapılar olarak tanımlanır. Söz konusu yapıların mikro seviyelerde tasarımı, hafif, dayanımı yüksek, güçlü mühendislik uygulamaları özelinde sağladığı avantajlar nedeniyle dünya literatüründe öncelikli alanlarda yer almıştır. Farklı uygulamalarda sağladığı avantajların yanı sıra, mikro seviyelerde tasarlanan karmaşık eleman ağı nedeniyle, bu yapıların üretilebilmesi, geleneksel imalat teknolojileriyle çok zor olmakta veya mümkün olamamakta; ancak son zamanlarda geliştirilen eklemeli imalat (Eİ) yöntemlerinin kullanılmasıyla mümkün olabilmektedir. Öte yandan, bu yöntemlerin katman katman üretim stratejisine dayanması nedeniyle, tasarlanan latis yapılar üretildiğinde çubuk elemanların geometri ve malzeme özellikleri üzerinde mikro ve milimetre seviyesinde değişkenlikler ve belirsizlikler oluşmaktadır. Literatürde latis yapılardaki belirsizliklerin karakterize edilmesi konusunda birçok çalışma bulunmaktadır; fakat bu belirsizlikler sadece rassal değişkenlerle modellendiğinden elemanlar üzerindeki konuma bağlı değişimler göz ardı edilmektedir. Dolayısıyla, bilgisayar ortamında modellenen latis yapılar, Eİ ile üretildiğinde, modellenen yapının performansı ile üretilen yapının performansı arasında bir farklılık oluşmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, bu soruna çözüm sağlamak için, latis yapılardaki çubuk elemanların bir Eİ tekniği olan ergimiş filament fabrikasyonu (EFF) yöntemi kullanılarak üretimi sürecinde meydana gelen geometri ve malzeme özelliklerindeki belirsizliklerin, rassal alan yöntemi kullanarak konuma bağlı modellenmesidir. Bu amaç doğrultusunda, kafes yapıların çubuk elemanları, farklı açı ve çap değerlerinde, EFF yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Numuneler, dijital kameralı ışık mikroskopu altında görüntülenmiş ve görüntüler üzerinden üretilen her bir katmanda geometrik ölçümler gerçekleştirilmiştir. Bu ölçümler, rassal alan yöntemi kullanılarak konuma bağlı değişimlerin karakterize edilmesinde kullanılmıştır. Rassal alan yöntemiyle modellenen değişimler, voksel çözüm ağı elemanları kullanılarak çubuk eleman modellerine dahil edilmiş, belirsizlikler içeren sonlu elemanlar modelleri oluşturulmuştur. Konuma bağlı değişimleri içeren modeller, çekme testi sınır koşulları altında analiz edilerek, çubuk elemanlar için etkin geometri ve malzeme özellikleri elde edilmiştir. EFF yöntemi ile üretilen latis yapıların üretim sürecinde meydana gelen belirsizliklerin karakterize edilmesi için önerilen bu yöntem, farklı Eİ yöntemleri için genişletilebilir.
İzotropi koşullu latis malzemeler kullanarak topoloji optimizasyonu
Latis malzemeler, hafiflik, direngenlik, titreşim sönümleme ve ısı yalıtımı gibi birçok avantaja sahiptir. Eklemeli imalat teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte latis malzemelerle yapılan tasarımlar üretilebildiğinden, günümüzde birçok farklı alanda kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Latis malzemeler ile tasarım yapılırken, homojenizasyon tabanlı topoloji optimizasyonu ile yoğunluk eşleştirme gerçekleştirilerek parça içerisindeki latis hücrelerin uygun yoğunlukları belirlenmektedir. Fakat, çoğu latis malzemenin mekanik davranışları kompozit malzemelerde olduğu gibi yöne bağlı olarak değişmekte olup izotropik değildir. Topoloji optimizasyonunda yoğunluk eşleştirme için ticari yazılımlarda da basitliğinden dolayı yaygın olarak kullanılan cezalandırma ile katı izotropik malzeme (Solid Isotropic Material with Penalization - SIMP) yöntemi kullanıldığında, izotropik olmayan homojenize özellikler farklı doğrultularda farklı gerilme ve yer değiştirme oluşturacağından latis malzemelerin kullanımında sorun oluşmaktadır. Bu tez kapsamında, bu sorunun çözümü için, izotropi koşullu yoğunluk eşleştirme (İKYE) modeli önerilmiştir. Önerilen bu model sayesinde, tüm yoğunluk değerlerinde homojenize elastik özelliklerinin izotropi koşulunu sağladığı çubuk elemanlarla modellenmiş latis hücreler belirlenmiştir. Bu latis hücreler izotropi koşulunu sağladığı için, SIMP yöntemi ile topoloji optimizasyonunda kullanılabilmektedir. Topoloji optimizasyonunda kullanılacak yoğunluk aralığı eklemeli imalat ile üretilebilecek şekilde belirlenmiştir. Önerilen yöntemin etkinliğini göstermek amacıyla literatürde eklemeli imalat ile üretim için tasarlanan farklı üç boyutlu nümerik örnekler üzerinde uygulamalar yapılmıştır. Bu çalışmada, sonlu elemanlar modelinin oluşturulması, homojenize malzeme özelliklerinin elde edilmesi ve topoloji optimizasyonu aşamalarında ABAQUS yazılımı kullanılmış; latis tasarımlarının yüzey ve katı modelleri oluşturulurken ise MATLAB programından faydalanılmıştır. İKYE modeli ile oluşturulan optimize tasarım sonuçları, literatürde dikkate alınan sonuçlarla karşılaştırılıp üstünlüğü gösterilmiş ve doğrulanmıştır. Önerilen bu yöntem sayesinde, izotropi şartını sağlayan latis konfigürasyonları belirlenirken, aynı zamanda ticari yazılımlarda mevcut olan SIMP ile topoloji optimizasyonu kullanılarak latis hücrelerin makroskopik dağılımlarının elde edilebildiği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Latis malzeme, Homojenizasyon, İzotropi, Topoloji optimizasyonu, Eklemeli imalat.
İzotropi koşullu latis malzemeler kullanarak topoloji optimizasyonu
Latis malzemeler, hafiflik, direngenlik, titreşim sönümleme ve ısı yalıtımı gibi birçok avantaja sahiptir. Eklemeli imalat teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte latis malzemelerle yapılan tasarımlar üretilebildiğinden, günümüzde birçok farklı alanda kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Latis malzemeler ile tasarım yapılırken, homojenizasyon tabanlı topoloji optimizasyonu ile yoğunluk eşleştirme gerçekleştirilerek parça içerisindeki latis hücrelerin uygun yoğunlukları belirlenmektedir. Fakat, çoğu latis malzemenin mekanik davranışları kompozit malzemelerde olduğu gibi yöne bağlı olarak değişmekte olup izotropik değildir. Topoloji optimizasyonunda yoğunluk eşleştirme için ticari yazılımlarda da basitliğinden dolayı yaygın olarak kullanılan cezalandırma ile katı izotropik malzeme (Solid Isotropic Material with Penalization - SIMP) yöntemi kullanıldığında, izotropik olmayan homojenize özellikler farklı doğrultularda farklı gerilme ve yer değiştirme oluşturacağından latis malzemelerin kullanımında sorun oluşmaktadır. Bu tez kapsamında, bu sorunun çözümü için, izotropi koşullu yoğunluk eşleştirme (İKYE) modeli önerilmiştir. Önerilen bu model sayesinde, tüm yoğunluk değerlerinde homojenize elastik özelliklerinin izotropi koşulunu sağladığı çubuk elemanlarla modellenmiş latis hücreler belirlenmiştir. Bu latis hücreler izotropi koşulunu sağladığı için, SIMP yöntemi ile topoloji optimizasyonunda kullanılabilmektedir. Topoloji optimizasyonunda kullanılacak yoğunluk aralığı eklemeli imalat ile üretilebilecek şekilde belirlenmiştir. Önerilen yöntemin etkinliğini göstermek amacıyla literatürde eklemeli imalat ile üretim için tasarlanan farklı üç boyutlu nümerik örnekler üzerinde uygulamalar yapılmıştır. Bu çalışmada, sonlu elemanlar modelinin oluşturulması, homojenize malzeme özelliklerinin elde edilmesi ve topoloji optimizasyonu aşamalarında ABAQUS yazılımı kullanılmış; latis tasarımlarının yüzey ve katı modelleri oluşturulurken ise MATLAB programından faydalanılmıştır. İKYE modeli ile oluşturulan optimize tasarım sonuçları, literatürde dikkate alınan sonuçlarla karşılaştırılıp üstünlüğü gösterilmiş ve doğrulanmıştır. Önerilen bu yöntem sayesinde, izotropi şartını sağlayan latis konfigürasyonları belirlenirken, aynı zamanda ticari yazılımlarda mevcut olan SIMP ile topoloji optimizasyonu kullanılarak latis hücrelerin makroskopik dağılımlarının elde edilebildiği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Latis malzeme, Homojenizasyon, İzotropi, Topoloji optimizasyonu, Eklemeli imalat.
Eklemeli imalat ile üretilen latis yapılardaki belirsizliklerin rassal alan yöntemi kullanılarak modellenmesi
Latis yapılar, birbirine bağlı çubuk veya yüzey eleman ağından oluşan yapılar olarak tanımlanır. Söz konusu yapıların mikro seviyelerde tasarımı, hafif, dayanımı yüksek, güçlü mühendislik uygulamaları özelinde sağladığı avantajlar nedeniyle dünya literatüründe öncelikli alanlarda yer almıştır. Farklı uygulamalarda sağladığı avantajların yanı sıra, mikro seviyelerde tasarlanan karmaşık eleman ağı nedeniyle, bu yapıların üretilebilmesi, geleneksel imalat teknolojileriyle çok zor olmakta veya mümkün olamamakta; ancak son zamanlarda geliştirilen eklemeli imalat (Eİ) yöntemlerinin kullanılmasıyla mümkün olabilmektedir. Öte yandan, bu yöntemlerin katman katman üretim stratejisine dayanması nedeniyle, tasarlanan latis yapılar üretildiğinde çubuk elemanların geometri ve malzeme özellikleri üzerinde mikro ve milimetre seviyesinde değişkenlikler ve belirsizlikler oluşmaktadır. Literatürde latis yapılardaki belirsizliklerin karakterize edilmesi konusunda birçok çalışma bulunmaktadır; fakat bu belirsizlikler sadece rassal değişkenlerle modellendiğinden elemanlar üzerindeki konuma bağlı değişimler göz ardı edilmektedir. Dolayısıyla, bilgisayar ortamında modellenen latis yapılar, Eİ ile üretildiğinde, modellenen yapının performansı ile üretilen yapının performansı arasında bir farklılık oluşmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, bu soruna çözüm sağlamak için, latis yapılardaki çubuk elemanların bir Eİ tekniği olan ergimiş filament fabrikasyonu (EFF) yöntemi kullanılarak üretimi sürecinde meydana gelen geometri ve malzeme özelliklerindeki belirsizliklerin, rassal alan yöntemi kullanarak konuma bağlı modellenmesidir. Bu amaç doğrultusunda, kafes yapıların çubuk elemanları, farklı açı ve çap değerlerinde, EFF yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Numuneler, dijital kameralı ışık mikroskopu altında görüntülenmiş ve görüntüler üzerinden üretilen her bir katmanda geometrik ölçümler gerçekleştirilmiştir. Bu ölçümler, rassal alan yöntemi kullanılarak konuma bağlı değişimlerin karakterize edilmesinde kullanılmıştır. Rassal alan yöntemiyle modellenen değişimler, voksel çözüm ağı elemanları kullanılarak çubuk eleman modellerine dahil edilmiş, belirsizlikler içeren sonlu elemanlar modelleri oluşturulmuştur. Konuma bağlı değişimleri içeren modeller, çekme testi sınır koşulları altında analiz edilerek, çubuk elemanlar için etkin geometri ve malzeme özellikleri elde edilmiştir. EFF yöntemi ile üretilen latis yapıların üretim sürecinde meydana gelen belirsizliklerin karakterize edilmesi için önerilen bu yöntem, farklı Eİ yöntemleri için genişletilebilir.
Negatif Poisson oranına sahip kafes yapılarda geometrik parametrelerin titreşim yalıtımına etkisinin numerik ve deneysel incelenmesi
Kafes yapılar, çubuk, plaka veya matematiksel yüzey elemanların farklı kombinasyonlarda dizilimleri ile farklı mekanik davranışlara sahip olan yapılardır. Düşük ağırlıkta yüksek mukavemet sağlaması ve bunun yanında oldukça iyi enerji emme ve ısı yalıtım özelliklerine sahip olması, bu yapıların literatürde önemli ölçüde dikkat çekmesini sağlamıştır. Günümüzde bu yapılar havacılık, denizcilik, otomotiv ve inşaat endüstrilerinde geniş ölçüde kullanılmaktadır. Kafes yapıların, elemanların farklı dizilimleri ile, farklı şekillerde tasarlanabilir olması, bu yapıların farklı amaçlarda kullanılmasına zemin hazırlamıştır. Bunlardan birisi, bu yapıların titreşim yalıtma işlemlerinde kullanılmasıdır. Örneğin, zemine doğrudan bağlanan bir makinenin, ağırlığı ve dengesizliği sebebiyle zemine uyguladığı harmonik kuvveti azaltmak için esnek bir malzeme olarak kullanılabilir. Bu konu ile ilgili çeşitli çalışmalar yapılmış olmasına rağmen bu çalışmalarda kullanılan kafes yapılar pozitif Poisson oranına sahiptir. Farklı olarak, negatif Poisson oranına sahip olan kafes yapılar da tasarlanabilmektedir. Bu yapılar, geleneksel yapıların aksine eksenel çekme kuvvetleri altında hacmi büyüyen ve eksenel basma kuvvetleri altında hacmi azalan yapılardır. Negatif Poisson oranına sahip yapıların, geleneksel yapılara göre sahip olduğu yüksek kesme direnci, girinti direnci, burkulma direnci, kırılma dayanımı enerji ve ses emme kabiliyeti gibi avantajları, bu yapılar için tıp ve tekstil gibi alanlarda farklı potansiyel kullanım alanları oluşturmuştur. Ayrıca günümüzde, negatif Poisson oranına sahip yapıların basma ve bükülme özelliklerine yönelik çalışmalar olmasına rağmen, titreşim yalıtımına etkisini inceleyen çalışmalar henüz yapılmamıştır. Bu tez çalışmasında, bahsedilen boşluğu gidermek amacıyla, negatif Poisson oranına sahip kafes yapıların titreşim yalıtma performansı incelenmiştir. İlk olarak performansının karşılaştırılacağı pozitif Poisson oranına sahip kafes yapılar literatürden seçilmiş, ardından negatif Poisson oranına sahip yapıların bir türü olan girintili petek (öksetik) yapı kullanılarak literatürden seçilen kafes yapılar ile eş hacme sahip kafes yapılar oluşturulmuştur. Bu aşamada, kafes yapıyı oluşturmada kullanılacak geometrik parametreler de belirlenmiştir. Karşılaştırmanın ardından, belirlenen geometrik parametrelerin, yapının titreşim yalıtım performansına olan etkisini görmek amacıyla farklı parametre kombinasyonlarına sahip kafes yapılar oluşturulmuş ve sonlu elemanlar analizi ile doğal frekans, rijitlik ve maksimum gerilme değerleri hesaplanmıştır. Daha sonra, eklemeli imalat yöntemlerinden biri olan malzeme ektrüzyonu yöntemi ile üretilen numunelere darbe çekici yardımıyla titreşim testleri yapılarak analizlerden elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır. Son olarak, titreşim yalıtımı için kullanılabilecek farklı geometrik parametrelere sahip kafes yapılar için bir tasarım uzayı oluşturulmuştur. Bu çalışmada, tasarım ve analiz adımlarında ticari sonlu elemanlar analiz programı ABAQUS kullanılmış ve tasarlanan bu yapılar ARTIBOYUT A0 3D YAZICI' da üretilmiştir. Titreşim testlerinde, yapının titreştirilmesi ve bu titreşim altındaki ivmelenmesinn ölçülmesi için sırasıyla PCB darbe çekici ve ivmeölçer; elde edilen sinyallerin verilere dönüştürülmesi için LabVIEW yazılımı kullanılmıştır. Bu raporda, tasarım, analiz, üretim ve deney aşamaları hakkında bilgiler detaylı olarak sunulmuştur.
Kafes yapılı malzemelerde gerinim tabanlı yorulma ömrü hesabı
Günümüzde, eklemeli imalat yöntemleri ile üretilen parçaların yüksek hafiflik kazandırması özelliğinden faydalanmak amacıyla kafes yapıların kullanımına odaklanılmış ve kafes yapıların statik dayanımlarının ortaya konulmasına ilişkin birçok çalışma yürütülmüştür. Fakat, aslında statik dayanım kadar büyük öneme sahip olmasına rağmen, eklemeli imalat yöntemleri ile üretilmiş kafes yapılı malzemelerin dinamik yük altındaki yorulma davranışlarını ortaya koyacak yöntemler henüz olgunlaşmamıştır. Literatürde bu alandaki yapılan araştırmalara bakıldığında, genel olarak deneysel çalışmaların ağırlıkta yürütüldüğü ve nümerik çalışmaların ise gerilme tabanlı ömür tespit yöntemleri ile gerçekleştirildiği görülmüştür. Deneysel çalışmaların yüksek maliyetli olması ve gerilme tabanlı nümerik hesaplamaların ise düşük çevrimli yorulma ömrü (DÇY) bölgesinde verimli bir hesaplama yöntemi olmadığı görülmüştür. Bu sebep ile, bu çalışmada, eklemeli imalat yöntemi ile Ti6Al4V malzemeden üretilmiş kafes yapıların gerinim tabanlı yorulma ömrü tespit metodu kullanılarak ömür analizlerinin gerçekleştirilmesi üzerine çalışılmıştır. Bu çalışmada kullanılan metodolojide, ilk olarak yorulma ömrü tespit edilecek kafes yapının birim hücre geometrisi modellenmiştir. Bu geometrinin gerilme-gerinim eğrisini elde etmek amacıyla statik basma yükü altında sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analizden elde edilen gerilme-gerinim verisinden hesaplanan akma dayanımından başlayıp kademeli olarak azaltılarak elde edilen gerilme değerleri, yorulma ömrü analizi için maksimum gerilme değerleri olarak tanımlanmıştır. Her bir gerilme değeri için kafes yapıya uygulanacak tekrarlı bir yükleme profili oluşturulmuştur. Bu oluşturulan her bir yükleme profili için, gerinim tabanlı Brown-Miller yöntemi kullanılarak yorulma ömür analizi gerçekleştirilmiştir. Böylece, her bir gerilme değeri için yorulma ömrü hesaplanmış ve kafes yapının yorulma ömür eğrisi elde edilmiştir. Aynı kafes yapı için literatürde sunulan deneysel yorulma ömür eğrisi sonuçları ile karşılaştırıldığında, bu çalışmadaki nümerik ömür analizi ile elde edilen ömür değerlerinin daha yüksek çıktığı gözlemlenmiştir. Ortaya çıkan farkın sebebinin, kafes yapının yüzey kısımlarında eklemeli imalat sürecinden kaynaklı meydana gelen kusurlar olduğu öngörülmüştür. Bu kusurlardan dolayı meydana gelecek gerilme konsantrasyon katsayısı, yine sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak tespit edilmiştir. Bu çalışma sonucunda, Ti6Al4V alaşımı ve seçmeli lazer ergitme (SLE) ile üretilen tüm kafes yapılı malzemelerin, katı kütle ömür verileri kullanılarak doğrudan yorulma ömrünü tahmin etmeye yönelik gerilme konsantrasyon katsayısı hesaplamak için analitik bir eşitlik ortaya konulmuştur. Bu eşitlik ile elde edilen, gerilme konsantrasyon değerine göre ömür analizleri farklı kafes yapıları için tekrarlanarak literatürdeki deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmalara göre, önerilen gerilme konsantrasyonu katsayısı hesaplama yöntemi ve birim hücre ile gerinim-tabanlı ömür tespit metodu kullanılarak yapılan kafes yapıların ömür analizlerinin, hem gerilme tabanlı metotlara göre daha doğru sonuç verdiği, hem de farklı kafes yapıları için deney sonuçları ile uyumlu gerçekleştirilebildiği gösterilmiştir.
Erimiş filament fabrikasyonu süreç parametrelerinin, üretilen latis yapıların etkin elastik malzeme özelliklerine etkisinin deneysel incelenmesi
Eklemeli İmalat Teknolojisi, ilk ortaya çıktığı zaman hızlı prototipleme için kullanılmış olsa da günümüzde özellikle havacılık-uzay ve savunma sanayinde, otomotivde, medikalde ve enerji sektöründe sıklıkla başvurulan bir yönteme dönüşmüştür. Özellikle latis yapılar gibi boşluklu yapıları sayesinde hafiflik sağlayan karmaşık yapıların katman katman üretilebilmesi, latis yapıların bu üretim teknikleri ile üretilebilirliği ve endüstride kullanılabilirliği üzerine yapılan araştırmaları artırmıştır. Birçok farklı eklemeli imalat tekniği bulunmakla birlikte, erimiş filament fabrikasyonu (EFF) tekniği düşük maliyetli olmasından dolayı yaygın olarak tercih edilmektedir. Fakat, EFF proses parametrelerinin üretilen parçaların mekanik özelliklerine etkisinin yüksek olduğu bilinmektedir. Literatürde EFF proses parametrelerinin mekanik özelliklere etkisi üzerine yapılan araştırmaların büyük çoğunluğu tam dolu numuneler üzerinedir. O yüzden, bu çalışmanın amacı, erimiş filament fabrikasyonu (EFF) ile üretilen latis yapıların etkin malzeme özelliklerine ÖZET v proses parametrelerinin etkisinin incelenmesidir. Bu teknik ile üretilecek numunelerin malzemesi için Polilaktik Asit (PLA) kullanılmıştır. Bu çalışmada üç farklı temel latis yapı türü olan Basit Kübik (BK), Hacim Merkezli Kübik (HMK) ve Yüzey Merkezli Kübik (YMK) seçilmiştir. Elde edilecek numunelerin etkin elastik malzeme özelliklerine en çok etkisi olan ve literatürde yer alan araştırmalarla desteklenen parametreler seçilmiştir. Bu amaçla, EFF için süreç parametreleri olan katman kalınlığı, nozül sıcaklığı ve baskı hızı başlıklarının her biri için üçer seviye belirlenmiştir. Deney tasarımı oluşturulurken Taguchi Metoduna başvurulmuştur. Taguchi metodu ile belirlenen farklı süreç parametre değer grupları için üretilen latis numunelerin basma testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerden basma modülü ve basma dayanımı sonuçları elde edilmiştir. EFF süreç parametrelerinin bu özelliklere etkilerini kıyaslayabilmek adına, MATLAB programı yardımıyla varyans analizi (analysis of variance - ANOVA) yöntemi kullanılmıştır. Bu kafes yapıların üretiminde en yüksek elastik özelliklere sahip olmaları için gerekli parametre değerleri belirlenmiştir. Elde edilen bulgular, latis yapılarla ilgili çalışmalara ışık tutması ve mühendislik uygulamalarında kullanılan tam dolu yapıların yerini latis yapıların almaya başlaması adına yararlı bir kaynak olacaktır.
Uçak kanadı üzerinde deformasyondan dolayı değişen yük dağılımının hesaplanması için bir parametrik modelleme yönteminin geliştirilmesi
Akışkan-Yapı Etkileşimi etkisi havacılık uygulamalarında incelenen önemli konulardan biridir. Rijit olmayan yapıların, yapı etrafındaki hava hareketlerinin oluşturduğu yükten dolayı şekli değişmektedir. Şekil değişimi ise yapı etrafındaki hava hareketlerini doğrudan etkilemektedir. Uçak için akışkan-yapı etkileşimi düşünüldüğünde uçak kanadı için bu etkinin incelenmesi gerekmektedir. Çünkü uçak kanadı uçağın ana taşıyıcı elemanıdır ve esnek bir yapıya sahiptir. Uçak kanadı üzerindeki şekil değişimi, akışkan-yapı etkileşiminden meydana gelmektedir. Akışkan-yapı etkileşimi etkisinin hesaplamalara dâhil edilmesi yüksek hesaplama maliyeti gerektirir. Bu tez çalışmasında bir uçak kanadı üzerinde deformasyondan dolayı değişen yük dağılımının tekrar hesaplanması için parametrik bir yöntem geliştirilerek etkin bir biçimde sonuca ulaşılması gösterilmektedir. Çalışmanın temeli hızlı ve etkili bir sonuç almak olduğu için akışkan ve yapısal analiz kısımlarında ayrı ayrı basitleştirmeler yapılmıştır. Yüksek çözünürlüğe sahip yapısal model çok daha basit bir yapı olan çubuk modele yapının özellikleri de korunarak indirgenmiştir. Böylece belli bir yük altında yapının şekil değişimi hızlıca tahmin edilebilmektedir. Akışkan analizlerinde ise yüksek hesaplama maliyeti olan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri kullanmak yerine doğrusal aerodinamik varsayımından yararlanılarak kanat üzerindeki basınç katsayısı dağılımı ve buna bağlı yük tahmini yapılmıştır. Doğrusal aerodinamik varsayımı için 'Aerodinamik Etkileşim Katsayıları (Aerodynamic Influence Coefficient (AIC))' matrisi kullanılmıştır. Bu matris şekil değişim bilgisine karşılık gelen basınç katsayısı değişim bilgisini içermektedir. Parametrik yüzey modelleme yöntemlerinden biri olan Bezier yüzey fonksiyonları yardımıyla AIC matrisi oluşturulmuştur. Uçak kanadı dış yüzeyi bu amaç için Bezier yüzey modelleme yöntemi kullanılarak oluşturulmuştur. Yüzey oluşturulurken kullanılan kontrol noktaları (control vertices (CVs)) deforme olmuş yapının yük dağılımını tahmin etmek için kullanılır. Her bir kontrol noktasının bir birim yer değiştirmesine karşılık gelen değişen yük dağılımı bilgisi AIC matrisi içinde birleştirilir. Bu yöntemin en büyük avantajı yüzey üzerindeki tüm noktalara belirli yer değiştirme değeri uygulamak yerine çok daha az sayıdaki kontrol noktalarına yer değiştirme değeri uygulanmasıdır. Ayrıca kontrol noktalarının yer değiştirmesi pürüzsüz bir şekil değişimi olmuş yüzey elde edilmesini de sağlamaktadır. Bu sayede hesaplama maliyeti yüksek olan akışkan analizi yapmak yerine parametrik modelleme yaklaşımı ile AIC matrisi oluşturulup uçak kanadı üzerindeki değişen yük bilgisi hızlı ve etkili bir biçimde tahmin edilebilmektedir. Daha basit modele indirgenmiş yapısal modelden elde edilen şekil değişim bilgisi kontrol noktaları üzerine aktarılarak şekil değişimine uğramış uçak kanadının yüzeyi Bezier yüzey fonksiyonları ile elde edilir. Kontrol noktalarının yeni konumu AIC matrisi ile ilişkilendirildiğinde uçak kanadı üzerindeki değişen yük dağılımı elde edilir. Bu çalışmada kullanılan yöntemler, bir uçağın ön tasarım aşamasında veya iteratif olarak yapılan aeroelastik analizler için hızlı ve etkili bir biçimde sonuca ulaşılmak istendiğinde kullanılabilir. Ayrıca önerilen metodun kullanımı sadece uçak kanadı için değil akışkan-yapı etkileşimi olan diğer yapıları da kapsamaktadır. Anahtar Kelimeler: Akışkan-yapı etkileşimi, Bezier yüzey modelleme, Aerodinamik etkileşim katsayıları matrisi, Aeroelastisite, Multi-fizik.