Tasarım optimizasyonu
Bu konu başlığı altında 74 tez
Takviyeli bir uçak gövde plakasının ve yapısal test adetlerinin güvenilirlik-tabanlı optimizasyonu
Uçak yapısal güvenilirliği tasarım esnasında ve tasarım sonrasında alınan tedbirlerin belirsizlikleri azaltılması sayesinde artırılabilir. Tasarım esnasında alınan tedbirler; emniyet faktörü (safety factor) ve müsaade edilebilir malzeme özellikleri kullanımı ile yapısal testleri içerir. Kalite kontrol, muayene, sağlık denetimi, durum takibi, bakım gibi tedbirler ise tasarım sonrası uygulanan belirsizlik azaltma tedbirlerine örnektir. Bu çalışmada uygulama problemi olarak tipik bir yolcu uçağı gövdesindeki takviyeli bir panelin kırılmaya karşı tasarımı ele alınmış; panelin ve belirsizlik azaltma tedbirlerinden olan yapısal test adetlerinin eşzamanlı güvenilirlik tabanlı optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Optimizasyonda tasarım değişkenleri olarak kupon ve eleman testi adetleri ile mukavemet indirgeme faktörü, amaç fonksiyonu olarak ömür devri maliyeti kullanılmış ve panelin sertifikasyon testini geçme olasılığı kısıt olarak kullanılmıştır. Sertifikasyon testinin modellenmesinde "iki bölmede çatlak" durumu ele alınmıştır ve panelin bu testi geçme olasılığı Monte Carlo simülasyonu yöntemiyle hesaplanmıştır. Sertifikasyon testini geçme olasılığının hesabında kırılma tokluğu tahminindeki belirsizlikler, sınırlı sayıda kupon ve eleman testleri yapılmasından kaynaklanan hatalar, yükleme ve geometrideki belirsizlikler modellenmiştir. Eleman testlerinin güvenilirlik üzerine etkisi Bayes güncellemesi ile hesaba katılmıştır. Optimizasyonda kullanılmak üzere yapısal ağırlık ve güvenilirlik indisi için yanıt yüzeyler oluşturulmuştur. Birim ağırlık maliyetinin optimizasyon sonuçlarına etkileri de incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda; eleman testlerinin kupon testlerinden daha etkin olduğu görülmüş, eleman testi adeti arttıkça belirsizliklerinin azaldığı böylece de güvenilirliğin arttığı gözlenmiştir. Optimum eleman testi adetinin birim ağırlık maliyetine karşı olan duyarlılığının optimum kupon testi adetine göre daha fazla olduğu görülmüştür. Birim ağırlık maliyeti arttıkça, tasarımcı daha yüksek mukavemet indirgeme faktörü kullanmak istemekte, dolayısıyla optimum eleman testi adeti de artmaktadır. Son olarak, birim ağırlık maliyet değeri arttıkça optimizasyon ile elde edilen maliyet kazancının da artmakta olduğu görülmüştür.
Francis tipi hidrotürbin ayar kanadı ve çarkının hesaplamalı akışkanlar dinamiği bazlı eniyilenmesi
Günümüzde ve gelecekteki enerji ihtiyacı en önemli konulardan birisidir. Enerji tüketimi hızla artmaya devam etmekte ve dünya çapında kömür ve diğer fosil yakıtlara talep azalmaktadır. Gelecekteki enerji ihtiyaçlarını karşılamak için, yeni yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesine ek olarak, mevcut enerji üretim yöntemleri mümkün olduğunca verimli olmalıdır. Enerji santrallerinde modern teknolojiler geliştirilmeli ve turbo makineler optimize edilerek mevcut enerji kaynakları daha ekonomik bir şekilde kullanılmalıdır. Bu noktada dünyada yaygın olarak kullanılan ve yenilebilir enerji kaynaklarında ilk sırayı alan hidroelektrik santrallerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Hidroelektrik santrallerde kullanılan hidrolik türbinler geliştirilirken verim, kavitasyon, güç gibi önemli hidrolik performans parametrelerinin belirlenen isterleri karşılaması gerekmektedir. Bu isterlere uygun türbin tasarımlarının gerçekleştirilebimesi ve akış karakteristiklerinin incelenebilmesi için, zaman, maliyet ve doğruluk açısından Hesaplamalı Akşkanlar Dinamiği (HAD) analizleri oldukça kullanışlı yöntemlerdir. Gelişen bilgisayar teknolojisi sayesinde HAD ve çeşitli optimizasyon yöntemlerini birleştiren tasarım optimizasyonları gerçekleştirilebilmektedir. Bu çalışmada Francis tipi bir hidrolik türbinin ayar kanadı ve çark bileşenleri ayrı ayrı olacak şekilde HAD analizlerine bağlı bir tasarım optimizasyon sistemi ile eniyilenmiştir. Ayar kanadı optimizasyonunda tek amaçlı optimizasyon metodu kullanılırak verim maksimize edilerek düşü kaybı azaltılmıştır. Çark optimizasyonunda ise tek amaçlı ve çok amaçlı optimizasyon metodları kullanılarak verim ve güç maksimize edilirken kavitasyonsuz bir tasarım sağlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, Francis türbini, Optimizasyon
Bir dizel motorda hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak özgül yakıt tüketimi ve emisyonlar açısından piston çanak geometrisinin optimizasyonu
Bu tez çalışmasında, bir dizel motorun piston çanak geometrisi özgül yakıt tüketimi açısından Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak optimize edilmiştir. Bir boyutlu gaz değişim analizi yardımıyla motor performans karakteristiği incelenmiştir. AVL Boost programı, bir boyutlu gaz değişim analizi ve motor performans karakteristiklerini belirlemek için kullanılmıştır. HAD analizlerinde öncelikle hava akış karakteristiği incelenmiştir. İki emme portuna sahip motorun döngü analizleri çalışılmıştır. Ticari HAD programı STAR-CD döngü analizleri için kullanılmıştır. Öncelikle, döngü analizleri kötü, orta ve iyi ağ yapılarında çalışılmıştır. Orta ve iyi ağ sonuçları birbirine oldukça yakın çıktığından, geri kalan HAD simülasyonları orta ağ yapısında gerçekleştirilmiştir. Türbülans modelinin döngü sayısı üzerindeki etkilerini görmek için Standard k-e, Realizable k-e ve RNG k-e türbülans modelleri kullanılmıştır. Motor valf hareketleri ve silindir bölgesindeki pistonun yukarı ve aşağı hareketi sonucu hücrelerin, katmanların eklendiği ve silindiği piston olayları için STAR-CD alt modülü olan ES-ICE programı kullanılmıştır. Reaktif Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (RHAD) simülasyonları, periyodik sınır koşulu kullanan ve bir yakıt enjektör deliğine karşılık gelen 45 derecelik sektör geometrisinde gerçekleşmiştir. Hesaplamalar, emme ve egzoz valfleri kapalı olduğu 600-800° krank açıları (KA) arasında 200° KA süresince gerçekleştirilmiştir. ECFM-3Z, Extenden Coherent Flame Model -3 Zone, yanma modeli olarak kullanılmıştır. Sıvı Dizel yakıtın iki fazlı modeli için Lagrangian yaklaşımı kullanılmıştır. Sprey oluşum ve atomizasyonunu simüle etmek için Bag Break-Up ve Stripping Break-Up modellerinin oluşturduğu Reitz ve Diwakar ayrışma modeli kullanılmıştır. Uzaysal ve zamansal ayrıştırma ve türbülans modelleme etkileri dikkatle incelenmiştir. Sonuçların doğruluğu, HAD tahminleri ile ölçüm verileri silindir içi basınç ve açığa çıkan ısı yayılımı karşılaştırılarak gösterilmiştir. 0.1° krank açısına karşılık gelen zaman adımı ile orta hesaplama ağ yapısını kullanan reaktif HAD tahminleri, ölçülen verilere kıyasla %2.3'lik bir tutarsızlık göstermektedir. Tahminlerin doğruluğu gösterildikten sonra, optimizasyon çalışması için piston çanak geometri parametreleri belirlenmiştir. Seçilen 9 parametre HEEDs programının SHERPA algoritması kullanılarak, Özgül Yakıt Tüketimini (ÖYT) göre optimize edilmiştir. 92 farklı geometrinin analizi sonucunda güç açısından %5.8, özgül yakıt tüketimi açısından %5.5 oranında iyileşme sağlanmıştır. Fakat optimize edilmiş yeni piston çanak geometrisinin mevcut tasarıma göre NOx emisyonunda %15 artışa sebep olduğu gözlemlenmiştir.
Kanister saclarında, köşebentlerinde ve raylarında hafifletmeye yönelik şekil ve boyut eniyilemesi
Kanister; roket veya füzenin ateşlendiği, Tam Atım Füze (TAF) sisteminin füze haricindeki ana alt sisteminden birisidir. Füzeyi; depolanma, taşınma ve atış anlarında oluşan çevresel etkilere ve yüklere karşı koruyan silindirik veya prizmatik yapısal bütündür. TAF'ın yüklendiği üst sistemin ağırlık taşıma kısıtı olmasından dolayı, kanister yapısal bütününün hem belirtilen yüklere karşı dayanıklı olması hem de hafif olması gerekmektedir. Kanister yapısal bütünü; gereksinimlere, analitik yaklaşımlara, tasarımcının deneyimine ve sezgilerine bağlı olarak, sac metal, dikme, ray, köşebent, yardımcı dikmeler gibi profiller, birçok alt parça ve bağlayıcı elemanlar kullanılarak tasarlanmaktadır. Bu tez kapsamında; kanister içerisindeki ağırlıkça oranları yüksek olan sac metal, köşebent ve ray parçaları için hafifletme maksadıyla şekil ve boyut eniyileme çalışmaları yürütülmüştür. Kanister üzerinde; düz sac metal yerine badem formu eklenmiş daha ince sac metal kullanılarak, füzenin ateşlenmesi anında oluşan basınç yüküne karşı dayanım ve benzer yerdeğiştirme sağlanabilmektedir. Optimum badem formu belirlenmiş ve eklenmiş sac plakaların, düz sac plakanınkiyle benzer yer değiştirmeye sahip ve dayanıklı (malzemenin akma dayanımının altında) fakat daha hafif olması amaçlanmıştır. Bu kapsamda, basınç yükü altında, düz sac ve badem eklenmiş sac plakaların ANSYS sonlu elemanlar yazılımıyla analizleri yapılmış, gerilme ve yer değiştirmeleri hesaplanmıştır. Tasarımsal kısıtlar ve sınır koşulları dikkate alınarak saclardaki badem yarıçapı, yuvarlatması ve yüksekliği için eniyi değerler, deney tasarımı ve yanıt yüzey yöntemleri (vekil model) kullanılarak elde edilmiştir. Eniyileme çalışmasının sac özelindeki bulgularına göre; 3 mm bademli sac metalin, 4 mm düz sac metal plakaya göre benzer yerdeğiştirme seviyesinde %19,9 hafifletme sağladığı gözlenmiştir. Köşebent ve rayların; kanister ağırlığı ve füzenin ağırlığı altında yer değişiminin az olması ve yapıya dayanım kazandırılması maksadıyla kalınlaştırılmıştır. Bu yüzden kanister ağırlıkları istenen ölçütlerin dışına çıkmış ve bu durum eniyileme çalışmasının yapılmasını gerektirmiştir. Kanister yapısal bütününün ana dayanım unsurunu oluşturan köşebent ve ray parçaları kanister yapısal bütünü seviyesinde ele alınarak ANSYS sonlu elemanlar yazılımıyla analizleri yapılmış, gerilme ve yer değiştirmeleri hesaplanmıştır. Kanisterin bekleme durumlarında izin verilen yerdeğiştirme miktarlarının altında kalmasının yanında, yapının köşebent ve ray parçaları özelinde ağırlıklarının eniyilenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla köşebent ve ray özelinde tasarımsal kısıtlar ve sınır koşulları dikkate alınarak; deney tasarımı ve yanıt yüzey yöntemleri kullanılarak eniyileme çalışmaları tamamlanmıştır. Eniyileme çalışmasının köşebent ve ray özelindeki bulgularına göre; ilk tasarımın köşebentinden %51,1, ilk tasarımın rayından %10,3 mertebesinde daha hafif tasarımlar elde edildiği gözlenmiştir. Kanisterin sac, köşebent ve ray parçaları özelinde yürütülen tüm bu eniyileme çalışmalarının sonucunda; statik koşullar altında ilk tasarıma göre kısıt fonksiyonlarına bağlı kalınarak kanister seviyesinde %12,0 hafifletme sağlanmıştır.
Yapısal optimizasyon problemlerinin çözümü için yeni bir hibrid optimizasyon yönteminin geliştirilmesi
Optimizasyon, herhangi bir problem için verilen koşullar altındaki bütün çözümleri arasından en uygun çözümü bulma işlemi olarak ifade edilebilir. Optimizasyon probleminin daha kolay çözülebilecek bir yapıda olması için problemin yapısına göre belirlenen matematiksel modeller oluşturulur. Doğadan ilham alan meta-sezgisel optimizasyon algoritmalarının davranışlarındaki kararsızlık ve düzensiz yapıları, birçok optimizasyon uygulamaları ve problemler için çözüm olabilmektedir. Meta-sezgisel optimizasyon algoritmalarının temel bileşenleri olan keşif, global arama yaparak çeşitli çözümler üretme sürecini, istifade ise yerel aramaya odaklanma ve en uygun aday çözümleri seçmeyi açıklamaktadır. Çalışmada, yapısal optimizasyon problemlerinin çözümüne yönelik yeni bir hibrid optimizasyon algoritması geliştirilmiştir. Literatürde mevcut ve güncel meta-sezgisel optimizasyon algoritması olan Yapay Tavşan Optimizasyonu (ARO) algoritmasının, kaotik haritalar ile entegre edilerek yakınsama hızının geliştirilmesi ve bu yeni hibrid algoritmanın çeşitli yapısal optimizasyon problemlerinin çözümünde kullanılması hedeflenmiştir. Bu çalışmada, Yapay Tavşan Optimizasyonu (ARO) algoritmasının matematiksel denklemlerindeki rastgele parametreler, literatürde iyi bilinen 10 kaotik harita ve önerilen 4 farklı modifikasyon yöntemi ile hibridlenmiştir ve tez kapsamında geliştirilen bu hibrid algoritmaya, Kaotik Yapay Tavşan Optimizasyonu (CARO) algoritması adı verilmiştir. CARO algoritmasının 23 klasik test fonksiyonları ile performansları test edilmiştir. CARO algoritması daha sonra 5 temel mühendislik tasarım problemi olan basınçlı kap tasarımı, rulman tasarımı, çeki/bası yay tasarımı, ankastre kiriş tasarımı ve dişli takımı tasarımına uygulanmıştır. CARO algoritması, literatürdeki güncel ve popüler 6 meta-sezgisel algoritma olan Yapay Tavşan Optimizasyonu (ARO) algoritması, Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO), Gri Kurt Optimizasyonu (GWO), Güve-Alev Optimizasyonu (MFO), Harris Şahinleri Optimizasyonu (HHO) ve Genetik Algoritma (GA) ile karşılaştırılmıştır. Tez kapsamında, mevcut bir taşıt fren pedalı parçasına göre daha az ağırlıkta ve çalışma koşullarındaki gereksinimlerini karşılayacak gerilme değerine sahip olan yeni bir fren pedalı parçasının CARO algoritması kullanılarak yapısal optimizasyonu yapılmıştır. Fren pedalı parçasının yapısal optimizasyon probleminin matematiksel modelini meydana getirmek için latin hiperküp örnekleme yöntemi ve radyal temelli fonksiyonlar ile meta-modelleme yöntemi kullanılmıştır. Topoloji ve şekil optimizasyonuna göre fren pedalı parçasında 6 adet delik açılarak ağırlık hafifletilmiş ve tasarım değişkenleri belirlenmiştir. Latin hiperküp örnekleme yöntemi ile 100 farklı fren pedalı modeli oluşturulmuştur. Radyal temelli fonksiyonlar ile meta-modelleme yöntemiyle amaç fonksiyonu olarak ağırlık ve kısıt fonksiyonu olarak gerilme değerleri için matemetiksel denklemler elde edilmiştir. Bu matematiksel denklemler kullanılarak, fren pedalı parçasının kütle minimizasyonu açısından, CARO algoritması literatürde bilinen 6 meta-sezgisel algoritmalarla mukayese edilerek çözülmüştür. Sonuç olarak, fren pedalı parçasının optimum tasarım ağırlığı 983.30 gr olarak bulunmuştur ve başlangıç tasarımı ağırlığı olan 1202 gr değerine göre %18.2 daha hafif çıkmıştır. Yeni geliştirilen Kaotik Yapay Tavşan Optimizasyonu (CARO) algoritması, literatürde ilk defa taşıt parçasının yapısal optimizasyon probleminde kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler: Meta-sezgisel optimizasyon, Yapay tavşan optimizasyonu algoritması, Kaotik haritalar, Kaotik yapay tavşan optimizasyonu algoritması, Topoloji optimizasyonu, Şekil optimizasyonu, Mekanik tasarım, Fren pedalı
Düz ve modifiye şekilli plaka kanatlı ısı alıcılarının optimum çalışma koşulları ve geometrik boyutlarının çok amaçlı genetik algoritma kullanılarak sayısal olarak belirlenmesi
Bu çalışmada, düz plaka kanatlı ısı alıcıları (PKIA) ve modifiye şekilli plaka kanatlı ısı alıcılarının (MŞ-PKIA) optimum çalışma koşulları ve geometrik boyutları çok amaçlı genetik algoritma kullanılarak sayısal olarak belirlenmiştir. Amaç fonksiyonları taban plakası sıcaklığının, entropi üretiminin ve kütlenin en aza indirilmesidir. Optimizasyon değişkenleri PKIA ve MŞ-PKIA'larda giriş hızı (V_in), kanat yüksekliği (H_fin) ve kanat sayısıdır (N_L). Plaka kanat formu, MŞ-PKIA'lar için iki optimizasyon değişkeni eklenerek ayarlanır, bunlar çıkıntı yüksekliği (H_rib) ve akış yönündeki desen sayısıdır (W_p). Çok amaçlı optimizasyon problemleri için maksimum taban plakası sıcaklık sınırı (T_base<70 °C) olarak belirlenmiştir. Optimizasyon problemlerini çözmek için çok amaçlı genetik algoritma (MOGA) kullanılmış ve sayısal optimizasyon çalışması için üç boyutlu parametrik modeller sonlu hacim yaklaşımı kullanılarak çözülmüştür. Akış daimi, sıkıştırılamaz ve türbülanslıdır, ısı alıcısındaki ısı transferi birleşik ısı transferi olarak modellenmiştir. İncelenen amaç fonksiyonları açısından MŞ-PKIA'lar daha iyi performans göstermektedir. Optimum tasarımlar için MŞ-PKIA ve PKIA'nın T_taban değerleri 60,23 ve 65,25 olup kütle değerleri aynıdır. PKIA'nın optimum tasarımına göre T_taban'ın %7,69 azaldığı bulunmuştur.
Sezgisel algoritmalar kullanarak uygun led lens tasarım optimizasyonu
Enerji verimliliğinin sürekli önem kazanması ile aydınlatma sektöründe daha verimli ürünler kullanılmaya başlanmıştır. LED (Light Emitting Diode)'ler uzun ömürlülükleri, enerji verimlilikleri ve çevreci olmalarından dolayı tüm aydınlatma alanlarında aktif olarak kullanılmaktadır. Aydınlatma çevrenin ve nesnelerin görülebilmesi için yapılan ışık uygulamalarıdır. Aydınlatmada amaç ışığı isteğe yönelik kullanmaktır. LED'ler yapısı itibari ile noktasal ışık kaynaklarıdır. Optimum aydınlatma koşullarının sağlanabilmesi için ışık kaynağından yayılan ışınların ortama aydınlatma amacına göre dağıtılması gerekmektedir. LED'lerdeki aydınlatma amaçları ikincil optik (lens, reflektör, kalimatör vb.) gereçlerin kullanılması ile sağlanmaktadır. Bu çalışmada, ikincil optik bileşenlerin en önemlisi olan lens tasarımının verimli bir şekilde yapılması amaçlanmaktadır. Hedef aydınlatma alanına uygun serbest biçimli lens tasarımı hazırlanmıştır. Serbest biçimli lensler, aydınlatma tasarımında kullanılan yeni bir teknolojidir. Bu teknoloji ile kompakt, hafif ve yüksek performanslı optik ürünler tasarlanabilmektedir. Çalışmada serbest biçimli lens tasarım yöntemlerinden Işın Haritalama Yöntemi (RMM) kullanılmıştır. Işın Haritalama Yönteminin görevi hedef yüzey üzerindeki parlaklık dağılımını yeniden dağıtan optik yüzeyler oluşturmaktır. Işın haritalama yöntemi profesyonel optik tasarım programları kullanılmadan C# yazılım dili ile gerçekleştirilmiştir. Işın haritalama yönteminde giriş yüzeyi küresel olarak kabul edilmiştir. Geliştirilen yazılımın ışın haritalama yöntemi yazılım bölümünde PMMA optik malzemeye sahip, 60 ° ışık açısı ile 1000 mm hedef uzaklığını aydınlatacak serbest biçimli lens verileri üretilmiştir. Elde edilen X ve Z ekseni verileri, X ekseni etrafında döndürülerek Y ekseni verileri elde edilmiştir. Katı modeli elde edilen serbest biçimli lensin optik simülasyonu yapılmıştır. Geliştirilen yazılım ile elde edilen çok boyutlu lens verileri sezgisel algoritmalar ile kullanılacak ortamlar için hedef kriterleri en uygun olacak şekilde optimize edilmiştir. Bu çalışmada; sezgisel algoritmalardan olan Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO), Yerçekimsel Arama Algoritması (GSA) ve Ateşböceği Algoritması (FA) kullanılmıştır. Bu optimizasyon teknikleri ile tasarlanan lensin çıkış yüzey geometrisi kullanılarak gerçek bir lens üretildiğinde oluşması beklenen ışık dağılım eğrileri, nokta yoğunluk diyagramları, ışık açısı, fotometrik verimlilikleri ve birleşik parlama derecesi (UGR) değerleri Zemax simülasyon programı ve Visual Photometric Tool programlarında karşılaştırılarak elde edilmiştir. Bu karşılaştırmalara göre bütün yöntemlerde ışık dağılım eğrileri simetrik ve geniş açılıdır. Nokta yoğunluk diyagramlarında ise bütün yöntemlerde yapılan 10 milyon ışın saçımının büyük çoğunluğu dedektöre ulaştığı görülmektedir. Kullanılan yöntemler arasında dedektöre en fazla ışın ulaşan yöntem %95,833 ile FA yöntemidir. Tasarım hedefi ışık açısına en çok yaklaşan yöntemler 60,2° ile RMM ve GSA yöntemidir. UGR karşılaştırmasında DesignLights Konsorsiyumu (DLC)'na göre bütün yöntemlerde değerlerin standart değerler içerisinde olduğu görülmüştür. Maksimum UGR karşılaştırmasında ise en küçük değer 14,0 ile GSA ve FA yönteminde elde edilmiştir.
Development of methodologies and their applications on the improvement of vehicle NVH performance
In today's competitive automotive industry, analyzing the noise level inside a passenger compartment and determining the contributors to the interior noise level has become more important due to opportunities for improvement. Finding opportunities for improvement to provide customers with a more refined vehicle in terms of passenger compartment noise level provides an advantage to the automotive manufacturer over its competitors. In the first phase of our study, integration of Acoustic Source Quantification (ASQ) and SEA methodologies is aimed to model the interior noise level inside the passenger compartment. The ASQ Direct Method, briefly explained in theory part of section 2, has been used to perform Panel Contribution Analysis (PACA), in order to investigate regions with panels that contribute primarily to the interior noise level and to determine opportunities for refining the interior noise levels within vehicles. To determine the airborne contributions of engines, the ASQ Indirect Method, briefly explained in theory section, has been applied. Creating a contribution model using MATLAB (PACA and Engine ASQ), the interior noise level of the vehicle has been calculated and correlated with the test results. By performing further analysis on the interior noise contribution model and focusing on the panel contributions, the regions with the most contributing panels have been determined and interior noise refining actions have been applied. By applying interventions, which are the refining outputs of the panel acoustic contribution analysis, an improvement of up to 3 dB(A) for a few engine speed ranges has been obtained for the overall noise level of the vehicle. In addition to the panel contribution analysis, which is the primary focus of this study, thickness optimization of the inner dash isolator has been performed for a correlated SEA model, which confirms that no performance loss occurred in the acoustic transfer functions from the engine to the passenger compartment. The physical prototype of the optimized inner dash isolator has been assembled in the vehicle during the panel contribution analysis validation tests. The integration of the ASQ (direct & indirect) and SEA techniques may be offered as a unique method that can be applied in the refinement phase of product development when the physical vehicle is available, to release refined and lower weight vehicles. In the second phase of our work, we have developed an analytical model of a multilayer porous material based on the transfer matrix method to predict the absorption behavior at plane wave incidence. The aim of this study is to modify/tune the sound absorption coefficient of a felt to obtain an improved absorbing performance in the mid frequency range without increasing its weight. To achieve this target, the developed model has been used to find the best combination of each layer type and thickness. The analytical results were validated by test results. The second section consists of three parts. First, we describe the analytical model based on the transfer matrix method of a multilayer porous material to predict the sound absorption coefficient subjected to plane waves with a rigid backing boundary condition. Second, the sound absorption coefficient calculation result of the model for a multilayer material has been presented to obtain more absorbing performance in the mid frequency range without increasing its weight, which is the main objective of this study. Generally, the mid-frequency range sound absorption performances of felts are low compared to their performance in the relatively high frequency range. There may be some cases where one may want to increase the mid-frequency absorption performance of a felt without increasing its weight. In such cases, according to the experimental results shown in this section of our study, one can modify the sound absorption curve characteristic of a felt using elastic films and the air gap without increasing or decreasing its weight. Finally, the model results have been validated with the experimental results. There is a good agreement between the analytical and experimental results in terms of the amplitude of the sound absorption coefficient in most of the frequency range and the tendency of the behavior of the curve comparing different configurations. In conclusion, compared to the initial condition, with 12% less weight, one can gain 35% in the absorption performance in the relatively mid-frequency range with a loss (20%) in the relatively high frequency range. In the third phase of our work, we have developed an analytical model that uses the transfer matrix method to predict the transmission loss (TL) of a resonator system with a helical side branch duct connected to the main duct. The resonator system is tuned to a proper frequency range to be applied on vehicle in order to decrease the air intake pipe radiated noise of the selected passenger car below 1000 Hz. In order to fulfill the packaging requirements, the developed resonator does not require an additional volume. The designed helical resonator is a tunable resonator and can be tuned to the required frequency range by adjusting the dimensions. Resonator in our study is tuned to mainly 300 Hz – 600 Hz frequency range to decrease the noise level of the selected passenger car of which's air intake pipe radiated noise in the specified frequency range is high. Developed helical resonator has been analyzed numerically, the analytical results are first validated with the numerical ones, and the prototype part has been produced with rapid prototyping technique. Finally, the prototype part has been tested on a 1.6 l Gasoline Engine Vehicle. Our numerical calculations show that the 1D analytical approach yields satisfactorily accurate approximations in the 0 to 1000 Hz. The physical verification test results are well correlated with the numerical analysis results for both the pressure drop and the sound transmission loss. The developed tunable resonator shows significant improvement in the noise radiated from the AIS pipe between 300 and 600 Hz. This improvement resulted in a quieter passenger compartment. Considering these results, the designed tunable helical resonator is a solution for high AIS radiated noise in vehicles, especially those vehicles with small volume engine compartments where strict packaging requirements are necessary. The application of these resonators may become widespread with the further development of rapid prototyping techniques.
Taşıyıcı yüzey sistemlerinin girdap kafes yöntemi ile analizi ve genetik algoritma ile eniyilemesi
Hava araçlarının aerodinamik tasarımı, analizi ve eniyilemesi, akışkanlar dinamiği bilimiyle uğraşan araştırmacıların üzerinde durduğu karmaşık ve esasında çok-disiplinli mühendislik problemleridir. Bu kapsamda, günümüzde uygulanan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) çözümleri tasarım sürecinin ilk aşamalarında birçok sebeple uygun görülmemektedir. Onun yerine daha basit çözümler sunan, akış alanıyla ilgili temel yaklaşımlarda bulunanarak çözümü hızlandıran yöntemlerin kullanımı daha yaygındır. Hesaplamalı aerodinamik uygulamalarında sıkça kullanılan Girdap Kafes Yöntemi (VLM) taşıyıcı yüzeylerin üzerindeki potansiyel akışı çözmektedir. Ludwig Prandtl'ın 1918 yılında tanıttığı taşıyıcı çizgi modeli (PLL) sonlu düz kanatlar için analitik bir çözüm sağlarken, yine Prandtl'ın ortaya koyduğu teoriyi esas alan VLM ile herhangi bir konfigürasyondaki çok elemanlı taşıyıcı yüzey sisteminin incelemesi girdap-kafes modeli ile mümkün olmaktadır. Bu modelde yüzeyler çözümlemenin yapılacağı panellere bölünür ve her panele taşıyıcı özelliğini veren atnalı girdapları yerleştirilir. Potansiyel akım sınır şartı kullanılarak çözülen girdap şiddetleri ile taşıyıcı yüzey üzerine etki eden aerodinamik kuvvetler Kutta-Joukowski Kanunu ile hesaplanır. Konsept ve ön tasarım süreçlerinde ilgili hava aracının taşıyıcı yüzeyleriyle ilgili kanat açıklığı, açıklık oranı, kök ve uç veter uzunlukları gibi birçok parametrenin belirlenmesi gerekmektedir. Ancak, her bir parametrenin belirlenmesi başlı başına bir eniyileme çalışması gerektirmektedir. Bunun sebebi ise taşıyıcı yüzeyler birbirleri arasında aerodinamik etkileşim içindedir. Bir yüzeye ait parametre diğer bir yüzey üzerinde etki yaratmaktadır ve hava aracının genel performansı açısından bu etkinin incelenmesi önem arz etmektedir. Doğanın genetik mekanizmalarını açıklayan Darvinci Evrim Teorisi (DET), yapay sistemlerin eniyilemesinde de etkin bir şekilde kullanılabilmektedir. Evrimsel Algoritmaların (EA) bir alt sınıfı olan Genetik Algoritmalar (GA), doğanın kanunlarını yapay sistemlere uygulayarak, zorluklar karşısında kendi kendini geliştiren sistemler üretmektedir. Bu uygulamanın temellerini John H. Holland 1975 yılında atmıştır. Holland'ın yürüttüğü çalışmalar hem yapay sistemlerin eniyilemesi hem de doğal sistemlerin bilimine büyük katkı sağlamıştır. Bu tez kapsamında çok elemanlı taşıyıcı yüzeylerin nümerik incelemesi için VLM yönteminin bir bilgisayar programını geliştirilmiştir. MATLAB programlama dili kullanılarak geliştirilen yazılımın öncelikle PLL yöntemi ile düz bir kanat analizi için karşılaştırılmış ve elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır. Çok elemanlı sistemler içinse ek doğrulama çalışmaları yürütülmüştür. Ters açılı bir çift kanat kullanılarak yer etkisi analizi yapılmış ve kanatlar arası uzaklık artırıldıkça yer etkisinin azaldığı görülmüştür. Bir diğer doğrulama çalışmasında ise bir kanat arkasında yerleştirilen yatay kuyruğun analizi yapılmıştır. Bu analizde aşağı sapmanın etkisiyle kuyruk üzerindeki etkin hücum açısının serbest akımın geliş açısından daha düşük hesaplanması incelenmiştir. Doğrulama çalışmaları neticesinde, taşıyıcı yüzeylerin incelenmesi amacıyla geliştirilen VLM yazılımı evrimsel döngüler sırasında çağırılabilecek bir fonksiyona dönüştürülmüştür. Evrimsel döngülerin değerlendirme aşamasında, her bir birey için bu fonksiyon çağrılmış ve aerodinamik katsayılar hesaplanmıştır. Hesaplanan katsayılar güçlü bireylerin belirlenmesine yarayan uygunluk fonksiyonlarında kullanılmıştır. Çaprazlama ve mutasyon evrelerinden sonra elde edilen çocuk bireylerin sonraki nesle nasıl aktarılacağı konusunda farklı yaklaşımlar denenmiş olup, elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak geliştirilen taşıyıcı yüzey sistemlerini eniyileme yazılımı uygulamalarda kullanılmış ve elde edilen bulgular paylaşılmıştır.
Mikro kriyojenik soğutucu tasarımı
Kızıl ötesi detektörler, gece görüş gözlükleri, termal kameralar, füze güdüm sistemleri ve süper iletken sistemler gibi birçok elektronik alet günümüzde kriyojenik sıcaklıklarda soğutulma gereksinimi ile çalışmaktadır. Bu sebeple kriyojenik sıcaklıklarda çalışan minimize hale getirilmiş soğutucular önem kazanmıştır. Bu mikro kriyojenik soğutuculardan, soğutma gücünün çok yüksek olmasının istenmesinin yanında boyutlarının küçültülmesi ve ayrıca en düşük soğutkan gaz debileriyle çalışması temel hedef olarak ortaya çıkmaktadır. Bu tezde bir Joule-Thomson soğutucusunun optimum tasarımı için geometrik parametrelere ve soğutkan gaz debilerine bağlı olarak sistemdeki kayıpların en aza indirgendiği ve en yüksek verimin elde edildiği geometrileri elde etmek için bir termodinamik modelin geliştirilmiş, bu geliştirilen model kullanılarak tek katlı ve iki katlı mikro kriyojenik soğutucu tasarımı yapılmış ve belirli bir soğutma gücü aralığında optimum soğutucu geometrileri ve STK değerleri elde edilmiş olan tek ve iki katlı soğutucuların aynı soğutma gücünde optimum geometrileri ve Soğutma Tesir Katsayısı (STK) değerleri karşılaştırılmıştır. Joule-Thomson soğutma çevrimlerinde ters akışlı ısı değiştiricisi çok büyük önem sarf etmektedir. Termodinamik yasaları gereği eğer soğutma çevriminde kompresöre giden gaz, ki bu çevrimde ısı değiştiricisinin çıkışına denk gelmektedir kompresörden çıkan gazdan daha düşük bir entalpiye sahip ise soğutucu ortamdan ısı çekemez, hatta tam tersi olarak ortama ısı verir hale gelir. Soğutucunun bu duruma gelmesi ise sistemin tamamen bozulmasına sebebiyet verecek durumlara neden olabilir. Bu sebepten dolayı çevrimde ısı değiştiricisinin yüksek verimde çalışarak kompresörden çıkmış olan gazı soğutması, buharlaştırıcıdan çıkmış gazı ise ısıtması gerekmektedir. Sistemin soğutma gücünün hesaplanması ve sistem veriminin elde edilebilmesi için soğutucunun elemanları ayrı ayrı kontrol hacmi içine alıp incelenmelidir. Bu kontrol hacimleri içine alınan elemanlar sırasıyla ısı değiştiricisi, genişleme kanalı ve buharlaştırıcıdır. Bu kontrol hacimlerine enerji dengesinin uygulanmasıyla soğutucunun ortamdan net çektiği ısı bulunabilir. Soğutucunun STK değeri ise hem ortamdan çekilen net ısıya hem de kompresör için gereken güce bağlıdır. STK değerini arttırabilmek için uygulanabilecek iki yöntem, ortamdan çekilen ısının arttırılması veya kompresör işinin azaltılmasıdır. Net soğutma gücü tüm sistemdeki tersinmezliklerden etkilenmektedir. Kanallardaki basınç kayıpları ise kompresör gücünün artmasına neden olmaktadır. Isı değiştiricisindeki ısı transferi soğutucunun çevreden çektiği net ısıyı direkt olarak etkiler. Kanallardaki sürtünme de hem akışkanın ısınmasına hem de basınç kayıplarını karşılayabilmek için kompresör gücünün artmasına sebep olmaktadır. Soğutucuda bulunan tüm kayıplar entropi cinsinden ele alınarak karşılaştırılabilir ve toplanabilirler. Optimum sistem boyutunun belirlenmesinde kullanılan entropi yaklaşımı sayesinde hem ısıl kayıplar hem de basınç düşüşünün etkileri aynı anda görülebilmektedir. Soğutma gücünün ve STK değerinin maksimum elde edebilmek için toplam entropi üretimi yaklaşımı seçildikten sonra tasarımın gerçekleştirilebilmesi için ilk önce sistem sınırları belirlendi. Soğutma işleminin 100 K'de gerçekleştirilmesine karar verildi ve tek kademede işlemin halledilebilmesi için ise soğutucu akışkan azot olarak seçildi. Soğutucu akışkanın azot olarak seçilmesi ve soğutma işleminin 100 K'de gerçekleştirilecek olması nedeniyle soğutucudaki alçak basınç değeri altı bar olarak belirlendi. Sistemin Carnot verimine sahip olduğu kabul edilerek yapılan hesaplamalarla maksimum verimin sistemin yüksek basıncının seksen bar olduğunda elde edildiği görüşmüş ve seksen bar sitemin yüksek basınç değeri olarak seçilmiştir. Sistemin sınırları belirlendikten sonra soğutucunun yapı malzemesi olarak yüksek ısı iletim değerine sahip bir malzeme daha hızlı amaçlanan sıcaklıklara ulaşacak ve kanallar arasında daha iyi transferine neden olacak olsa da mW değerlerinde net soğutma gücü olan bir sistem için iletim kayıplarının en aza indirgenmesi amacıyla Pyrex cam yapı materyali olarak seçilmiştir. Ortam koşulları olarak da yüksek vakum ortamı olarak kabul edilen bir ortamda çalışıyor olması öngörülmüş olup, ışınım kayıplarını azaltmak için ise ince bir altın katman ile kaplı olduğu düşünülmüştür. Sitemin entropi üretimini hesaplayabilmek için ilk önce sistemdeki kanalların sıcaklık profillerinin elde edilmesi gerekmektedir. Bunun için ısı değiştiricisi yüksek basınç, malzeme ve alçak basınç elemanları olarak üçe bölünmüş ve bu üç elemanın kendi içlerindeki ve ortamla olan ısı transferleri dikkate alınarak bir denklem sistemi oluşturulmuştur. Bu temeli alarak hem tek katlı hem de iki katlı soğutucu için uygun termodinamik modeller oluşturulmuştur. Bu sistemin çözümünde kullanabilmek için yüksek ve alçak basınç değerleri için azotun ve Pyrex camın gerekli tüm termodinamik özellikleri fonksiyon olarak yaratılmıştır. Böylece hepsinin sıcaklık ile birlikte değişen termodinamik özellikleri sıcaklık profillerinin elde edilmesinde ele alınmıştır. Bununla birlikte kanaldaki basınç düşüşünün etkisi ele alınamamıştır. Bulunan sıcaklık profilleri kullanılarak elde edilen entropi değerleri tek başına incelendiğinde en düşük entropi değerleri veren optimum soğutucu geometrisinin beklenenden farklı değerler verdiği görülmüştür. Bunun üzerine yapılan inceleme ile kanallardaki basınç düşümünün göz önüne alınmaması sebebiyle toplam entropi değerlerinin olması gerekenden farklı çıktığı gözlemlenmiştir. Tüm bunların ışığında optimum kanal geometrilerinin elde edilmesi için entropi üretimi değerlerine bakılmadan önce kanal kayıplarının net soğutma gününe olan etkisini gösterebilecek bir veri filtrelemenin uygulanması gerektiği belirlenmiştir. Kanal yüksekliğinin net soğutma gücü üzerindeki etkisini inceleyebilmek için hesaplanmış olan kanal kayıpları sebebiyle üretilen entropinin kullanıldığı bir bağlantı kurulmuştur. Bu bağlantıya göre kanallardaki kayıpların neden olduğu entropi değeri mW cinsine çevrilerek bu değerin çevrimin soğutma gücünün %5 ve daha azı olduğu geometrilerde ancak doğru entropi değerlerinin alınabildiği, daha yüksek oranlarda ise kanal kayıplarının akışı etkilediği ancak hesaplamalara yansıtılamadığı varsayılmıştır. Böylelikle kayıpların net soğutma gücüne oranı kullanılarak kanal yüksekliğinin etkisi de boyutların belirlenmesine dahil edilmiş ve sonuçların gerçeğe yakınsaması sağlanmıştır. Tek katlı veya iki katlı soğutucunun buharlaştırıcısının giriş sıcaklığı elde edildiği için gerekli genişleme kanalı ve buharlaştırıcı sıvı havuzu boyutları da hesaplanarak incelenen her bir debi için optimum boyutlar elde edilmiştir. Eldeki sonuçlar kullanılarak tek katlı soğutucu için 400 mW'a kadar, iki katlı soğutucu için ise 700 mW'a kadar net soğutma gücünde soğutucunun optimum boyutları hesaplanmıştır. Sonuçlar yorumlandığında 40 mW ve sonrasında ısı değiştiricisinin kanal yüksekliği ve kanal uzunluğunun önemli ölçüde değişmediği kanal eninin ise lineer olarak arttığı görülmüştür. Düşük soğutma gücünde kanal yüksekliğinin ve kanal uzunluğunun daha büyük bir değere sahip olmasının nedeni ise düşük soğutma güçlerinde sistemde ısı değiştiricisinden buharlaştırıcıya iletimle aktarılan ısının oransal olarak daha yüksek soğutma güçlerine göre fazla olması nedeniyle ısı değiştiricisi uzunluğunun artmasıyla sistemin iletim kabı değerinin azalmasını sağlamış, ancak kanalın uzaması ise viskoz kayıpları arttırmış bu nedenle kanal yüksekliği de artmak zorunda kalmıştır. Daha sonra bu sonuçlardan elde edilen boyutlar başlangıç noktası olarak alınarak soğutucu tasarımında iki katlı bir çözüme gidilmesi durumunda birbirlerini etkileyen iki çevrimde hesaba katılarak optimum geometriler hesaplanmıştır. Hesaplamalar sonucunda iki katlı durumda her bir kademedeki kütlesel azot debisi için sistemin genel soğutma katsayısı ve entropi üretimi incelenmiş ve yeni durum için optimum soğutucu boyutları belirlenmiştir. Sonuçlar sonucunda tek katlı duruma göre kanal genişliğinin ve iki çevrimin birbirini etkilemesinden dolayı artan kanal kayıpları sebebiyle kanal yüksekliğinin artması gerektiği görülmüştür. Ek olarak iki katlı durumda soğutucunun toplam STK değeri ise az miktarda azalmaktadır. Bu iki durumun yanında ise kanal genişliği çok büyük oranlarda azalarak soğutucu için daha kompakt bir yapının elde edilebileceğini göstermiştir. Genel olarak bakıldığında tek katlı duruma göre STK değeri maksimum %4 kadar düşüş yaşarken kanal genişliğinde iki katlı tasarım durumunda %60'a kadar olmuştur. Bu sonuçların ışında, tek katlı durumda net soğutma gücü ile lineer olarak artış gösteren kanal genişliğin aşırı artışını engelleyerek daha kompakt bir tasarım elde etmek amacıyla iki katlı kriyojenik tasarım kullanılarak kanal genişliği STK'den sadece %4 kadar feragat ederek büyük oranda azaltılabilir. Bu da aynı soğutma gücü için tek katlı tasarıma göre iki katlı tasarım kullanılarak verimde az bir kayıpla çok daha küçük bir alanda soğutmayı sağlayabileceğini ve daha kompakt bir yapı elde edilebileceğini göstermektedir.
Thermo-elastic analysis and multi objective optimal design of functionally graded flywheel for energy storage systems
In this study, thermo-elastic analysis and a multi objective optimal design of a functionally graded Flywheel rotor that can be used in a Flywheel Energy Storage System (FESS) has been investigated. Due to the rapid mechanization and technological innovations that have taken place since the industrial revolution, our energy need has been increasing at an unprecedented rate. On the other hand, limited availability of known energy resources makes it necessary to find solutions that enables more efficient use of energy. One of the solutions to enhance energy efficiency is to store excess production for future usage. In this context, Flywheel energy storage applications for storing electrical energy have gained a great interest in recent years. Flywheel energy storage systems are in favorable position among others due to their strengths in high energy capacity, fast response, long life, low maintenance and environmentally friendly characteristics. Recent advancements in lightweight high strength materials, power electronics and magnetic bearings have made high speed FESS applications possible today. Obviously, those high speed applications such as turbo machinery components, high speed compressors, brake disks, gears, pumps, generators are of practical interest in engineering. Therefore, development of FESS systems has become a popular research topic for scientists and engineers nowadays. Flywheel energy systems are based on a rotating mass principle. In a FESS, electrical energy is converted into the mechanical energy and stored in the Flywheel rotor as rotational kinetic energy. Energy conversion is achieved by means of an electric motor and a bi-directional power converter. Flywheel rotor is the key element to determine the overall performance and capacity of the system. Energy capacity of a Flywheel rotor can be increased by using materials that is capable of resisting loads at high rotational speeds. Functionally graded materials which is a special kind of composites can be used for this purpose. For this reason, the subjected Flywheel rotor in this study has been assumed to be made of a functional graded material. For the thermo elastic analysis, a complex nonlinear differential equilibrium equation has been established. The complexity came from several factors such as non uniform thickness Flywheel geometry, non homogenous material content and by taking into account of the thermal effects on material properties. The governing equation of motion solved numerically by using generalized differential quadrature method (GDQM). Results of numerical solution has been validate by comparison with an axisymmetric two dimensional finite element model. A perfect correlation of both approaches has been demonstrated. Flywheel shape optimization task has been carried by using non dominated sorting genetic algorithm (NSGA II). Optimal designs have been searched for 18 design spaces having different speed, thickness and radius limits. Depending on the bearing type, maximum speed of the flywheel can be two types such as low speed and high speed. In 9 of the design spaces it has been assumed that conventional mechanical bearings were used. Hence, these designs had a maximum rotational speed limit of 10000 rpm. The other 9 design spaces assumed to have magnetic bearings. Therefore, those designs had a maximum rotational speed limit of 100000 rpm. The optimization problem is defined to maximize the average kinetic energy that the flywheel can store between an ambient temperature range without failure and without exceeding rotational speeds allowed by the bearings while minimizing the mass. The genotype of individuals have been constructed by a mixed type encoding such that thickness (h) and volume fraction coeffficient (m) has been encoded by 15 bit Gray coding and materials are encoded by value encoding. For generating child populations a multi point crossover has been used. Additionally, bit invertion and value changing mutations has been applied to the chromosomes. Genetic algorithm code have generated 1000 populations each of them having 1000 individuals. Therefore 1 million potential candidates have been evaluated for each design space. For the material content, random combinations of two materials out of three possibles (Ti-6Al-4V, Inconel 718, AISI 4340) have been selected for each designs. Optimization results have been achieved by using the Numerical solver and the Genetic algorithm code simultaneously and iteratively for each solution. Optimization study has presented following results, - At constant speed, size of the outer radius is the most effective design parameter in terms of the energy capacity. For reaching a higher energy capacity a bigger Flywheel size is reqiured. However, as the size gets bigger the stresses induced due to the centrifugal force increases proportional to the square of the radius of the Flywheel. - At high speeds the stress concerns becomes more evident such that, maximum design speed can not be achieved due to the violation of the stress limit. In such cases, algorithm starts another loop to determine the maximum allowable speed before continuing the other steps. In other words at high speed designs maximum rotational speed becomes another design variable. Therefore, computational efforts highly increases for high speed design searches. Consequently the convergence speed substantially decreases. - For low speed designs, maximum design speed (10000rpm) is achievable without violating any optimization criteria. Whereas, for the high speed applications, maximum achievable speed can not be attained due to stress constrains. For high speed designs maximum achievable speed depends on the Flywheel material and geometry considered. - For the optimal shape, the algorithm tries to increase the mass near the outer edge to increase the energy capacity. Whereas, near the inner edge mass has been increased in order to reduce stresses. In middle sections, algorithm has kept as minimum thickness as possible to reduce the weight of the design. - For material composition, algorithm allocates the lighter materials near outer radius. Whereas, the heavier materials are placed as possible as at the inner radius region in order to reduce stresses caused by the centrifugal loads. Additionally, algorithm tends to allocate AISI4340 to increase the stored energy due to its high density and strength. Whereas, for low energy capacity designs Ti-6Al-4V has been used to minimize the mass. Inco 718 has been used together with these materials to fine tune the designs with its medium properties. Some of the designs seem to have only one material content instead of a mixed FGM structure. Therefore, it can be said for some optimal designs homogenous material structure is the best choice to provide the optimal energy storage. - Some of the designs seem unrealistic due to very thin web sections. For such solutions the study may be developed further to take into account of resonance vibration effects.
Evaluation of thor dummy kinematics in front impacts
Vehicle safety design is one of the most important parameter to protect occupants in traffic accidents. Every passing day, number of vehicles are increasing enormously due to rapid increase of population. What does increased population means? Increase in population means that more transportation is needed. Therefore, risk of occupant injuries in traffic accidents should be decreased and controlled. The Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) administration investigates traffic accidents according to vehicle type, impact type, and involved number of vehicles in crashes. Recent reports show that approximately half of both single and multiple crashes happen in front impact direction. Side impact crashes follows front impact ones, and mostly occur in multiple vehicle crashes. Another report by the IIHS describe occupant deaths according to vehicle types. In passenger vehicles, occupant deaths are decreased by approximately 40% in recent decades. This result shows that crashworthiness of vehicles is improved from 1975 to 2015. On the other side, occupant deaths occurring in pick-up trucks and sport utility vehicles (SUV) are 80% lower than those occurring in passenger vehicles. This is one of the reasons why SUV vehicles are more popular in nowadays. Safety organizations and car manufacturers investigate performance of restraint systems. Airbags and belts are main research areas for passive safety systems. Airbag vent optimizations and belt load limiter levels are checked for complexity reduction or getting better performance from dummy in safety performance tests. The National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) works on new dummy which is called Test device for Human Occupant Restraint (THOR) and new test protocol. THOR dummy is improved to get more realistic kinematic and injury predictions than the Hybrid III dummy. Also, NHTSA proposed to use THOR dummy in full frontal test and new oblique tests in driver side. In full frontal case, 5% Hybrid III dummy will be used in passenger side and THOR dummy will be used as a passenger in oblique crash test mode. Also, acceptance limits are changed with THOR dummy in new test protocol. Main difference between THOR and Hybrid III dummy is the chest deflection measurement methodology. Chest deflection is measured from 4 points in THOR dummy instead of 1 point when compared with the hybrid version. These 4 points represent humans 4th and 8th ribs. Finally, studies show that THOR dummy has similar kinematic and outputs as humans. Vehicle manufacturers design their vehicles according to customer needs. Ergonomic design, interior/exterior design and some engineering characteristics such as aerodynamic characteristics, durability performance and safety performance define overall vehicle identity. First conceptual works start with body structure design which is evaluated according to NVH, durability and safety targets. Before vehicles arrive to the customer, all vehicles are checked by government rules which are called regulations. Therefore, boundary conditions of vehicle designs are defined by regulation targets. Regulations are not only assessments but they are mandatory. Also, special organizations perform tests to evaluate vehicle performance such as the New Car Assessment (NCAP) organization. According to NCAP tests, vehicles are tested in 2 main sections which are front and side impacts to measure injury values from passengers and drivers. Briefly, vehicle engineering design can be classified as an input for tests and dummy injury values can be classified as an output of assessments. To protect occupant, vehicle acceleration and intrusion values are very critical. After final decision of vehicle structure design, vehicle interior and restraint system play a key role for occupant protection. In this study, assessments are completed via computer software program. Vehicle is modeled with hyper crash program and finite element model of THOR dummy is used in driver side. Before starting occupant analysis, correlated vehicle model is used. Chest acceleration of dummy and shoulder belt forces are checked for correlation level for the entire model. Evaluation of THOR dummy chest deflection values in front impacts is selected as a main focus of study. The reason for this can be explained by the major difference between THOR and the Hybrid III dummy. Chest deflections are measured at four points and rotations of sensors are included for calculation in THOR dummy assessments. In Hybrid III dummy, chest deflection is measured at one point and rotation is not included. These improvements in THOR dummy make kinematics of dummy more important. Given these updates, the restraint parts with THOR dummy need to be teste again. In new proposed US-NCAP test, limits are defined for every point of measured chest deflections. Therefore, restraint parameters are changed to achieve minimum chest deflection values for each point. Load limiter of belt is changed, and 6 different belts are created for iterations. Secondly, belt width is increased to 75 mm from 50 mm for more equal load distribution. Third, D-ring position is checked, and it is moved in x and z directions for optimum position. As a fourth iteration, buckle position of belt is moved in its own direction. 4-point belt usage is tested as a final iteration of belt system. Additionally, knee airbag and stiffness change of driver airbag is checked for evaluations. The results of the iterations are reported for the left upper, right upper, left lower and right lower chest deflection values. Decreasing load limiter levels helps to reduce chest deflections values. But different improvements are observed in 4 areas of measurement. Maximum improvement which is around 18 % is observed with lowest load limiter. But decreasing load limiter level increases the head accelerations. Therefore, optimum design should be selected for chest and Head Injury Criteria (HIC) values. Increasing belt width helps to reduce chest deflections in left upper and right lower areas approximately 7 %. Left upper and right lower sensors are under belt routing position. Thus, increasing belt width helps to distribute loads equally. On the other iterations moving D-ring rearward of vehicle and upper direction helps to reduce chest deflection. Limits of d-ring's position is defined with B pillar width of vehicle. Positioning d-ring in forward and lower direction causes slippage of belt over the shoulder. Positioning d-ring in rearward and upper direction avoids slippage of belt and chest deflection values are decrease with equally positioned belt. Same improvement is observed with using 4-point belt in assessments. No improvement is observed with airbag iterations and this result can be proof of main contribution of controlling chest deflection is belt. Finally, belt and airbag iterations are checked with THOR dummy in full frontal impact. In this study, iterations are completed without changing any vehicle structure parts. This means, same crash pulse is used for all design iterations. In best case, 14% decrease in left upper, 6% decrease in right upper, 9% decrease in left lower and 29% decrease in right lower sensor are observed. In best case, the restraint systems are belt D, 75mm width, buckle is in 30 mm forward in its own direction and D-ring is moved 50 mm in x and z directions. For further studies, passenger side can be studied with restraint iterations. Also, new oblique crash mode can be assessed with THOR dummy for new injury criteria.
Yüksek seviyede sentezlemede eniyileme yöntemleri
Continuous decrease in the transistor technology sizes has enabled much denser packaging of electronic components on chips, which has resulted in integrated circuits with more functionalities and lower costs. However, it has also given rise to new issues and challenges in the integrated circuit design process, including higher vulnerability to soft errors. Modular hardware redundancy is a popular method for improving the reliability of a system against errors at the cost of increasing area and energy consumption. Voltage scaling methods can be employed to tackle high energy costs; however, these approaches also negatively affect a circuit's reliability and performance. Therefore, designing circuits with all these conflicting parameters is a very challenging task. In this study, we employ two optimization approaches: mathematical programming and metaheuristic algorithms for designing integrated circuits with several conflicting parameters. Mathematical programming approaches guarantee the generation of the optimal solutions; however, they are usually highly impractical for complex real-life problems due to their high computational complexity and unrealistically long running times. Nevertheless, the optimal solutions obtained for relatively small problem sizes are useful for testing the performance of other (meta)heuristic methods that solve the same problem in much faster execution times, although without any guarantees about solution optimality. In this thesis, we propose integer linear programming (ILP)-based and simulated annealing (SA)-based high-level synthesis (HLS) methods to optimize both reliability and energy of the final circuit designs under the area and latency constraints. Our models employ full and partial resource duplication (modular redundancy) to improve the system reliability as long as the area constraint permits. They also utilize voltage islands as the energy reduction method of choice. This problem is even more interesting and complex because our resource library is characterized under multiple supply voltages. We use different versions of the same resources with different area, latency, reliability, and energy values. Although this affects the execution time of the proposed methods, it also gives us more design options. We compared and showed the effectiveness of our methods against a genetic algorithm (GA)-based method on several HLS benchmarks. The ILP-based methods return the optimum results for smaller problem sizes and most of the time for larger problem sizes under the given time limits. In contrast, the SA-based methods outperform the GA-based methods and generate optimal or acceptably near-optimal results for all benchmarks in much faster running times.
Betonarme uzay çerçeve sistemlerin metasezgisel algoritmalar ile optimum tasarımı
İnşaat mühendisliği alanında tasarım mühendisinin temel amacı yapı üzerine etki eden yükler altında yönetmelikler ve standartlar doğrultusunda yapısal güvenliği sağlamak ve aynı zamanda ekonomik açıdan en uygun tasarımı gerçekleştirmektir. Betonarme çerçeve sistemler gibi karmaşık yapıların tasarımında, optimum maliyetin sağlanabilmesi için inşaat mühendisliği alanında optimizasyon algoritmalarından yararlanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, betonarme çerçeve sistemlerin daha hızlı ve doğru bir şekilde optimum maliyet tasarımının yapılması hedeflenmiştir. Bu tez kapsamında 3 farklı metasezgisel optimizasyon algoritması ve bu algoritmalardan oluşturulmuş 2 adet hibrit optimizasyon algoritması olmak üzere toplam 5 farklı optimizasyon algoritması kullanılmıştır. Betonarme çerçeve sistemlerin deplasman ve kesit tesirlerinin bulunabilmesi için matris-deplasman yöntemi kullanılmış ve tasarım kuralları için ACI 318-19 (Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary) yönetmeliği dikkate alınmıştır. Bu çalışmada farklı yapı boyutlarında farklı eleman sayıları bulunan simetrik ve asimetrik toplam 5 farklı betonarme yapı modellenmiştir. MATLAB programında matris-deplasman yöntemi ile çözülen yapıların iç kuvvetleri ve deplasman değerleri SAP2000 yapısal analiz programı ile kontrol edilmiş ve çözümlerin uygun olduğu görülmüştür. Optimum tasarım için kullanılan 5 farklı optimizasyon algoritması arasında Öğrenme Öğretme Tabanlı Optimizason (ÖÖTO) algoritmasının betonarme çerçeve sistemler için uygun olduğu görülmüştür. Tez çalışmasında kullanılan tasarım yöntemi ve Öğretme Öğrenme Tabanlı Optimizasyon (ÖÖTO) algoritması, inşaat mühendislerine hem hızlı hem de etkili bir şekilde optimum maliyetli ve yapısal güvenliği sağlanmış tasarımlar elde etme olanağı sunmaktadır. Geliştirilen metod mühendislerin karmaşık tasarım problemlerini verimli bir şekilde çözmelerine yardımcı olurken aynı zamanda maliyet ve güvenlik açısından optimum yapısal çözümü sağlamalarına imkan sağlamaktadır.
Sismik izolasyon ve ayarlı sıvı sönümleyicili hibrit kontrol sistemlerinin optimizasyonu ve makine öğrenmesi ile tahmini
Sismik taban izolatörleri, yapısal ivmenin azaltılmasında ve deplasman kontrolünde etkili kontrol cihazlarıdır. Çok katlı yapılarda yapı ağırlığıyla izolatör zorlanmakta, enerji yeteri kadar izolasyon katmanında sönümlenemeyerek üst yapıya aktarılmaktadır. Sismik izolatörlere gelecek kuvvetli titreşimler, izolatörün fazla hareketiyle sonuçlanarak, izolatör bağlantı noktalarında mekanik hasara ya da izolasyon katmanında malzeme deformasyonuna yol açabilmektedir. Yakın fay gibi yıkıcı özellikleri olan ve büyük yer değiştirmelere sebep olan depremlerde, izolasyonlu sistemlere sönümleyici ilavesi önerilmektedir. Ayarlı sıvı sönümleyici (TLD) sistemler, yapısal deplasmanları azaltmada, bünyesindeki sıvının çalkalanmasından faydalanan kontrol cihazlarıdır. Bu iki sistemin hibrit kullanımı, yapıda toplanan ivme ve deplasmanların azaltılmasında etkilidir. Bu tez çalışmasında, sismik taban izolatörü ve TLD'den oluşan hibrit bir sistemin optimum tasarım süreci ve TLD yerleştirilecek alanın boyut limitlerini dikkate alarak sistem özelliklerini tahmin eden bir makine öğrenmesi modeli oluşturulması hedeflenmiştir. Yapılan ilk uygulamada, yakın fay depremleri altındaki bir yapının tabanına sismik izolatör ve en üst katına TLD yerleştirilmiş, izolatörlü sistemin farklı sönüm ve hareketlilik kapasiteleri için izolatöre TLD ilavesinin, yapısal kontrole etkisi araştırılmıştır. İzolatör ve sönümleyici özellikleri, yapının maksimum ivmesini azaltmaya yönelik uyarlanabilir armoni arama algoritması ile optimize edilmiştir. TLD ilavesinin, yakın fayın izolatör seviyesindeki yerdeğiştirmeleri sınırlayarak hasar almasını önleyici etkileri olduğu belirlenmiştir. Tez çalışmasında yapılan ikinci uygulamada, yapı kütlesinden bağımsız olarak sismik izolatör ve TLD'li hibrit kontrol sistemine sahip bir yapının tasarım parametrelerini tahmin eden bir makine öğrenmesi modelleri geliştirilmiştir. Darbeli yakın fay depremleri altındaki standart bir yapının deprem davranışı Matlab Simülink aracılığıyla simüle edilmiş, jaya algoritması optimizasyonuyla optimum tasarım parametreleri ve yapı davranışı kaydedilmiştir. Elde edilen optimum tasarım özellikleri ve çeşitli parametrelerle veri seti oluşturulmuştur. Kontrol sistemi yerleştirilecek alanın boyut limitleri ve sıvı özellikleri dikkate alınarak, TLD tank boyutları, izolatör ve TLD sönümleme oranları ve periyotlarını tahmin eden makine öğrenmesi modelleri üretilmiştir. Geliştirilen öğrenme modelleri arasında en etkili algoritmalar belirlenmiş, tahmin edilen değişkenler arasında TLD tank yarıçapı, sıvı yüksekliği ve izolatör periyodu özelliklerinin %96'yı aşan bir doğrulukla ve %8 civarında ortalama mutlak hatayla tahmin edilebildiği belirlenmiştir.
Multi-criteria optimization of high speed naval vessels: A pareto approach
In a ship design process, determining the main dimensions is one of the most fundamental work packages which seems quite underestimated when considered its continuous effects on the whole design. It could be a time-sink to turn the design cycle more than usual and specify these dimensions again and again because of encountered problems which might be predictable at first. In this study, a preliminary design process of a high speed naval combatant will be discussed to overcome mentioned situations by using Pareto Analysis. Pareto fronts can be obtained from at least two conflicting parameters which are relatively more important than the other parameters for the ship's purpose/mission and these parameters are completely depend on the designer's call. Once the Pareto front is obtained for this ship type, oncoming similar ship designs could take less time and be more accurate.
Otonom ve şebeke bağlantılı fotovoltaik ve yakıt hücresi kaynaklı hibrid bir mikrokojenerasyon sisteminin optimizasyonu ve kontrolü
Bu tez ile enerji verimliliğini esas alan, depolama ile kendi kendine yetebilecek ve gerektiğinde şebekeyi de besleyebilecek bir konutta uygulanabilecek sistemlerin kontrolü ve optimizasyonu çalışılmıştır. Konutun tasarımında kullanılan tüm cihazlar için azami enerji verimliliğini ilk planda gözetecek çalışmalara odaklanılmıştır. Konutun ısı ve elektrik ihtiyaçlarını desteklemek için bir mikrokojenerasyon uygulaması gerçekleştirilmiştir ve iklim verileri ile konut içerisinde farklı enerji kaynaklarının yıl içerisindeki etkileşimleri farklı yazılımlarla hesaplanmıştır. Daha sonra bu hesaplar ayrıca geliştirilen bir fizibilite modeline makro ve mikroekonomik tüm koşullarla birlikte girilerek sonuçlar bulunmuştur. Nihayetinde bu sonuçlarla optimum sistem üzerinde çalışılmıştır. Yanısıra kurulacak sistemin teknik olarak uygulanabileceği kontrol sistemleri geliştirilmiştir. Optimum bir sistem kurmak için azami enerji verimliliği, asgari maliyet, mümkün mertebe temiz enerji kaynakları, şebekeden bağımsız çalışabilme, şebekeye elektrik satabilme gibi kriterler hep birlikte değerlendirilmiş ve sonuç olarak bugünkü finansal koşullarda konutun kendi kendine yetecek şekilde dizayn edilmesinin bir avantaj sağlamadığı, şebekeden destek alacak bir sistemin ekonomik açıdan daha mantıklı olduğu sonucuna ulaşılmış, kendi kendine yetebilecek sistemlerin ilave teşviklerle mümkün olabileceği koşullar değerlendirilmiştir.
Design of a collimator for breast-specific gamma imaging and assessment of NEC rate for a pet scanner using Monte Carlo simulations and response surface methodology
This thesis is composed of two studies that demonstrate the implementation of Monte Carlo (MC) simulations and response surface methodology (RSM) to specific problems in planar and tomographic nuclear medicine imaging. In the first study, the collimator of a planar small field-of-view continuous crystal breast specific gamma camera is optimized by maximizing the lesion contrast-to-noise ratio (CNR) with respect to hole diameter, septal thickness and hole length. This study demonstrated that the pairwise interaction effects of the collimator parameters play a key role in determining the set of optimal parameter. As a result of optimization, a considerable improvement of up to 73% in CNR with respect to the reference collimators is achieved. Moreover, the critical region for detectability shifted towards the direction of smaller lesion diameter and lower tumor-to-background ratio. Another conclusion of the study is that the optimizer adapts itself to the spatial resolution/sensitivity trade-off as the lesion depth changes. Based on these findings, we conclude that the advantages obtained with this approach may lead to an advancement in collimator design. Whereas, the second study is involved with the positron emission tomography (PET) camera performance based on the noise-equivalent-count rate (NECR). In this part, the effect of lower energy threshold (LET) and coincidence time window (CTW) on NECR is investigated over a range of activities. Our findings showed that both LET and CTW showed significant linear and quadratic effects. Moreover, the evidence of presence of interaction among parameters makes this approach superior in comparison to conventional one-variable-at-a-time assessment techniques. Through an in-depth literature review, the proposed approach is also shown to be useful for a range of cameras for both human and animal use, as well as organ-specific and time-of-flight PET scanners.
Mekanik otopark tesislerinin yer seçimi ve boyutlandırılması için genetik algoritma tabanlı bir yaklaşım
Dünyanın pek çok kentinde hızlı nüfus artışıyla doğru orantılı olarak artan taşıt sayısı ulaşım problemlerinin de artmasına yol açmıştır. Otopark sorunu günümüzde metropollerin en önemli ulaşım sorunlarından biridir. Taşıt sayısındaki hızlı artışa karşın otopark alanlarının yetersiz kalması ve bunun kent ölçeğinde meydana getirdiği tüm olumsuz etkiler "otopark sorunu" kapsamında ele alınır. Ortalama bir hususi taşıt günde 23 saat, başka bir deyişle ömrünün yüzde 95'i boyunca otoparkta park halindedir. Bu süre, taşıtın hareket halinde olduğu süreden çok daha fazladır. Taşıtların hareketini sağlamak için yollar gerektiği gibi, durması için de yeterli park alanlarına ihtiyaç vardır. Uluslararası literatüre göre dünyada park politikasına 3 farklı yaklaşım bulunmaktadır. Bunlar, geleneksel yaklaşım, park yönetimi yaklaşımı ve piyasa tabanlı yaklaşım olarak kategorize edilebilir. Dünya kentlerinin çoğunda geleneksel park politikası uygulanmaktadır. Bu yaklaşımda otopark sorunu bir altyapı sorunu olarak görülür ve park politikasının temel hedefi otopark talebini karşılamaktır. Yönetmeliklerde belirtilen minimum otopark gereksinimleri geleneksel yaklaşımın birincil düzenleme aracıdır. Geleneksel park politikasına göre her binanın öngörülen azami otopark talebini karşılayabilecek sayıda otopark alanına sahip olması gerekir. Geleneksel yaklaşımda otopark sorunu "otopark miktarının yetersizliği" şeklinde tanımlandığı için, çözüm olarak her binanın kendi otopark talebini kendi arazisi içinde karşılaması önerilir. Çözüm kapsamında her bir arazi kullanım çeşidine göre önerilen minimum otopark gereksinimleri belirlenir ve otopark yönetmelikleri hazırlanır. Uluslararası literatüre göre minimum otopark gereksinimlerine dayalı geleneksel yaklaşım problematik ve yoğun kent dokusuyla uyumsuz bir yaklaşımdır. Park yönetimi, park politikaları arasında en yaygın ikinci yaklaşımdır. Bu yaklaşım, geleneksel park politikasının yoğun ve sıkışık bölgeler için uygulanabilir olmayışından dolayı ortaya çıkmıştır. Park yönetimi yaklaşımı genellikle otopark sorununun olduğu, fakat fazladan otopark arzının mümkün olmadığı veya arzu edilmediği yerlerde uygulanmaktadır. Park yönetimi, otoparkların daha verimli kullanılmasını hedefleyen politikalar ve programlardan oluşmaktadır. Piyasa tabanlı park politikasında, otopark arz ve talep dengesinin piyasa tabanlı fiyatlandırma vasıtasıyla sağlanması öngörülmektedir. Piyasa tabanlı yaklaşımda taşma sorunu (spillover) olumsuz bir durum olarak değil, yerel otopark piyasasının canlı kalmasını sağlayan bir durum olarak görülür ve fiyatlandırma ile önüne geçilebileceği savunulur. İstanbul'daki otopark sorununun çözülebilmesi için otopark arz ve talebinin dengelenmesine yönelik adımlar gerekmektedir. Mevcut durumda otopark talebinin otopark arzından çok daha fazla olduğu bilinmekte ve bunun sonuçları açıkça görülmektedir. Talep ve arzın dengelenmesinde uygulanacak yöntemler talebin azaltılması ve/veya arzın artırılmasıdır. Sadece arzın artırılması sürdürülebilir bir çözüm değildir. Sadece arzın artırılması halinde, sunulan her otopark alanı kendi ihtiyacını yaratacak ve otomobille ulaşım teşvik edilmiş olacaktır. Olması gereken çözümde mevcut otopark talebi karşılanmalı ve gelecekte öngörülen otopark talebini minimize etmeye yönelik adımlar atılmalıdır. Bu tez kapsamında arzın artırılmasına yönelik girişimler üzerinde durulmuştur. Arzın artırılması yeni otopark alanlarının sağlanması ile mümkündür. Bu doğrultuda İstanbul'un mevcut durumu (yüksek nüfus yoğunluğu, plansız yapılaşma, vb.) dikkate alınarak yeni otopark tesisleri planlanmalı ve inşa edilmelidir. Yeni inşa edilecek otopark tesislerinin planlama sürecini, tesis tipi seçimi, tesis yeri seçimi ve tesis boyutlandırılması olarak üç aşamaya ayırmak mümkündür. Tez kapsamında, otopark tesislerinin yer seçimi ve boyutlandırılması aşamalarında karar vericiye/tasarımcıya destek olacak GA tabanlı yeni bir hesaplamalı model tanıtılmaktadır. Ardından bu model bir vaka çalışması kapsamında gerçek verilerle test edilmiştir. Vaka çalışması için İstanbul'un otopark yönünden en sorunlu ilçelerinden biri olan Şişli İlçesi seçilmiştir. Tesis tipi seçimi yapılırken otopark çeşitleri ve otopark tesis tipolojileri ele alınmıştır. Otoparklar yol üstü veya yol dışı olmak üzere iki çeşittir. Yol dışı otoparkları hemzemin veya katlı olmak üzere iki grupta incelemek mümkündür. Katlı otoparklar araçların park edilişlerine göre statik veya otomatik olmak üzere ikiye ayrılır. Statik otoparklarda araçlar sürücüler tarafından park edilirken otomatik otoparklarda bu işlem yatayda ve dikeyde hareket edebilen asansörler vasıtasıyla araçların park hücrelerine istiflenmesi şeklinde gerçekleştirilir. İstanbul gibi nüfus yoğunluğunun yüksek olduğu ve plansız gelişen kentlerde yeni otopark alanlarının inşa edilmesi için arazi bulmak her zaman mümkün olmamaktadır. Bulunan arsalar ise büyük yapıların inşa edilmesine olanak vermeyecek kadar küçük veya alternatif yatırım maliyetleri göz önüne alındığında çok pahalıdır. Tezde İstanbul için en uygun otopark sistemlerinin en az alanda en çok aracın istiflenmesine olanak sağlayan otomatik otopark sistemleri olduğu sonucuna varılmıştır. Tesis yeri seçiminde en az bir kıstasın (maliyet, kâr, seyahat mesafesi, hizmet, bekleme süresi, kapsama alanı, pazar payı gibi) eniyilenmesi hedeflenir. Tezin tesis yeri seçimiyle ilgili bölümünde yer seçimi bilimi üzerine yapılan literatür taraması sunulmuş, yer seçimi problemleri sınıflandırılmış ve otopark yeri seçimi problemlerinde kullanılan çözüm prosedürleri ele alınmıştır. Tezin tesislerin boyutlandırılmasıyla ilgili olan kısmında otopark tesis boyutunu belirleyen unsurlar ve otopark ihtiyacının belirlenmesine dair yöntemler ele alınmıştır. Otopark tesis planlamasında inşa edilecek yeni tesisin kapasitesini belirleyebilmek için yerel otopark talebi ve var olan otopark arzının bilinmesi gerekmektedir. Bu veriler otopark etütleri ile elde edilir. Otopark etütleri sürücülerle anket, sahada sayım, uydu veya uçak vasıtasıyla elde edilen fotoğraflar ile sayım, CBS üzerinden sayım gibi yöntemlerle yapılmaktadır. Tez kapsamında sunulan vaka çalışmasında Şişli ilçesine ait detaylı otopark etütleri bulunmadığından otopark ihtiyacı belirlenirken İstanbul Otopark Yönetmeliği'ndeki kullanım türü ve alan büyüklüğe göre minimum otopark ihtiyacının hesaplanmasına yönelik kılavuzda belirtilen rakamlar esas alınmıştır. Tesis boyutunu belirlerken dikkat edilmesi gereken bir diğer unsur çevredeki mimari dokudur. Otopark tesisinin boyut ve ölçeği etrafındaki binalarla uyumlu olmalıdır. Tezdeki vaka çalışmasında, çalışma alanındaki yapı adaları içinde bulunan en yüksek binalar referans alınarak maksimum otopark yükseklikleri belirlenmiş, bu şekilde üretilen otoparkların kentsel dokuya uygun olmasına dikkat edilmiştir. Tez kapsamında tanıtılan model oluşturulurken genetik algoritmalar, doğrusal programlama, ağırlıklı toplam yöntemi ve ceza fonksiyonları kullanılmıştır. Genetik Algoritma (GA) Darwin'in evrim teorisinden esinlenerek oluşturulmuş, optimizasyon problemlerinde sıkça karşılaşılan bir çözüm yöntemidir. Doğrusal programlama (DP) sınırlı kaynakların tahsisini eniyilemek amacıyla kullanılan bir yöntemdir. Tipik bir DP problemi üç bileşenden oluşmaktadır: Amaç fonksiyonu, kısıt fonksiyonları ve negatif olmama şartı. Ağırlıklı toplam yöntemi çok amaçlı bir optimizasyon problemini tek amaçlı bir optimizasyon problemine dönüştürmede kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemde her bir amaç fonksiyonu karar verici tarafından skaler ağırlıklar verilerek toplanır. Böylece problem tek bir fonksiyon ile ifade edilebilir ve herhangi bir tek amaçlı optimizasyon yöntemiyle çözülebilecek hale gelir. GA doğası gereği sadece kısıtsız optimizasyon problemlerinde kullanılabilir. Ceza fonksiyonu kullanılarak kısıtlı optimizasyon problemleri kısıtsız optimizasyon problemlerine dönüştürülebilir. Böylece GA'nın kısıtlı optimizasyon problemlerinde de kullanılması mümkün olur. Modelde tesis yeri seçimi ve tesis boyutlandırılması gibi her biri başlı başına NP-zor karmaşıklık derecesinde olan çok kriterli iki farklı probleme eşzamanlı olarak çözüm aranmaktadır. Modelin oluşturulmasında bir 3-boyutlu modelleme yazılımı olan Rhinoceros'tan ve bu yazılım üzerinde çalışan Grasshopper eklentisinden faydalanılmıştır. Grasshopper bir görsel programlama ortamıdır. Grasshopper'da üretilen algoritma Rhinoceros içindeki araziye ait çizgesel verilerle ilişkilendirilmiştir. Ayrıca Grasshopper eklentisi içindeki Galapagos bileşeni sayesinde GA ile çalışmak mümkün olmuştur. Modelde birbiriyle etkileşen çok sayıda kriter bulunmaktadır. Bu kriterler; maliyet kriterleri, erişilebilirlik kriteri, sosyal kriter ve teknik kriterler olmak üzere dört ana başlık altında toplanabilir. Vaka çalışması için İstanbul'da otopark sorununun en fazla yaşandığı ilçelerden biri olan Şişli İlçesi seçilmiştir. Çalışma alanı Şişli İlçesi, Mahmut Şevket Paşa Mahallesi'nde yer alan 18.870 m2 büyüklüğünde bir alandır. Seçilen alan çoğunluğu konutlardan oluşan 81 bina içermektedir. Alandaki işyerleri hakkında yeterli veri bulunmadığı için çalışmada sadece konutlara ait otopark ihtiyacı ele alınmıştır. Üretilecek otoparklar var olan konutlara ait otopark talebini karşılamak üzere planlanmıştır. Vaka çalışması kapsamında farklı GA parametreleri kullanılarak iki farklı senaryo üretilmiştir. Her iki senaryoda da başarılı birer çözüme ulaşılmıştır. Bu vaka çalışmasıyla genetik algoritmaların tesis yeri seçimi ve tesis boyutlandırılması problemlerindeki başarısı bir kez daha kanıtlanmıştır.
No-frost soğutucu hava kanalının yanıt yüzeyi optimizasyonu ile tasarlanması ve etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Son yıllarda buzdolapları üzerinde gerçekleştirilen Ar-Ge çalışmalarının temel amacı enerji verimliliğini iyileştirmek olmuştur. Bu amacı gerçekleştirmek için yürütülen çalışmalarda; hava akışı kontrolü ve buna bağlı olarak sıcaklık dağılımının homojen hale getirilmesi üzerinde durulmaktadır. Buzdolaplarındaki hava akışının ve sıcaklık dağılımının enerji tüketimine ve bunun yanı sıra gıdaların tazelik sürelerine doğrudan etki ettiği kanıtlanmıştır. Bu yüzden, bu alanda yapılacak olan hava akış optimizasyonu çalışmaları; buzdolabı sıcaklık dağılımına, enerji tüketimine ve gıdaların ömürlerine doğrudan tesir edeceği için, günümüzde olduğu gibi önümüzdeki yıllarda da buzdolabı Ar-Ge çalışmalarının temelini oluşturacaktır. Yakın geçmişe kadar bu alanda yürütülen çalışmalar tamamen deneysel yöntemlerle gerçekleşmekteyken, günümüzde deneysel çalışmalar CFD analizleriyle de sayısal olarak desteklenmektedir. CFD yöntemlerinin deneysel yöntemlere göre daha ekonomik ve daha hızlı olması sebebiyle; gelecekte bu yönteme verilecek ağırlığın daha da artması beklenmektedir. Hali hazırda buzdolapları üzerinde gerçekleştirilen tasarım çalışmaları, CFD çalışmaları ile desteklenmekte ve doğrulanmaktadır. Ancak yapılan bu çalışmalar yıllar içinde elde edilmiş olan tasarım tecrübesiyle, temel olarak deneme-yanılma yöntemine dayanmakta ve uzun uğraşlar gerektirmektedir. Ayrıca beyaz eşya sanayisindeki yoğun rekabet nedeniyle, yeni ürün ortaya koymak için sahip olunan süreler oldukça kısalmıştır. Tüm bunlar göz önünde bulundurulduğunda, buzdolabı tasarımlarında sıcaklık dağılımını ve enerji verimliliğini iyileştirecek büyük farklılıklar gerçekleştirmek kolay olmamaktadır. Bu çalışma kapsamında; buzdolaplarındaki hava akışını düzenleyen en önemli unsur olan hava kanallarının, CFD yöntemine bağlı olarak parametrik şekilde tasarlanması ve soğutucu kabini içinde sıcaklık dağılımına olan etkilerinin incelenmesi üzerinde durulmuştur. Bu parametrik tasarım çalışmaları; ticari bir bilgisayar destekli mühendislik yazılımı içinde bulunan CFD yazılımı ve bu yazılıma ait yanıt yüzeyi optimizasyonu eklentisi ile gerçekleştirilmiştir. İstatistiksel yöntemler kullanan yanıt yüzeyi optimizasyonu; tasarım parametrelerinin girdi olarak tanımlandığı, her bir parametreye alt ve üst tasarım sınır değerleri verildiği, verilen sınır değerler içinde deneylerin tasarımı adı verilen sanal deney noktalarının oluşturulup çözüldüğü, çözülen deney noktalarından faydalanarak yanıt yüzeylerinin oluşturulduğu, istenilen çıkış parametrelerine ait kısıtların ve amaç fonksiyonlarının girildiği ve bunları sağlayan parametre değerlerinin elde edildiği aşamaları içermektedir. Bu sayede deneme-yanılma yöntemi ile karşılaştırıldığında, istenilen çıkış parametrelerini verecek optimum tasarımları elde etmek daha kolay ve daha kesin hale gelmektedir. Çalışmada, soğutucu kabinini yatay olarak ikiye ayıran bir levha olan, ayırma levhasına sahip ve ayırma levhasız iki farklı No-Frost soğutucu modeline ait; 5, 10 ve 12 çıkışlı olmak üzere üç farklı hava kanalı modeli ve iki farklı kabin modeli üzerinde çalışılmıştır. Öncelikle, üzerilerinde sayısal çözümlerin yapılacağı hava kanallarına ait akış geometrileri elde edilmiştir. Daha sonra, en karmaşık geometriye sahip hava kanalı için üç farklı kalitede çözüm ağı oluşturulmuş ve her bir çözüm ağı farklı türbülans modelleriyle çözdürülerek, deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarına en çok yaklaşan çözüm ağı parametreleri ve türbülans modeli belirlenerek, çalışmanın geri kalanında kullanılmıştır. Daha sonra, mevcut ayırma levhasız ve ayırma levhalı hava kanallarındaki debi dağılımlarını veren hava akış analizleri ve bu hava kanallarına sahip soğutucu kabinlerindeki sıcaklık dağılımı analizleri gerçekleştirilmiş ve deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Böylece, hem oluşturulan modellerin doğruluğu kontrol edilmiş hem de mevcut soğutucu modellerindeki eksiklikler ve geliştirilmesi gereken noktalar tespit edilmiştir. Ardından, geliştirilmesi gereken noktalar için her üç hava kanalı geometrisi üzerinde yanıt yüzeyi optimizasyonu yöntemi ile parametrik tasarım çalışmaları gerçekleştirilerek, yeni hava kanalı geometrileri oluşturulmuştur. Yapılan bu parametrik tasarım çalışmaları sonucunda 5 çıkışlı hava kanalının çıkış boyutları, her bir çıkışta istenilen debi miktarını verecek şekilde değiştirilmiş; 10 çıkışlı hava kanalının ayırma levhası geometrisi üzerinde değişiklikler yapılmış; yine 10 çıkışlı hava kanalı ayırma levhası parametrik hale getirilerek, her bir çıkışta istenilen debiyi verecek şekilde kendi kendini oluşturması sağlanmış; 12 çıkışlı hava kanalı ayırma levhasında bulunan ve akışı düzenleyen profilin konumu ise parametrik olarak değiştirilerek, düşük debide hava üfleyen çıkışlardaki debilerin arttırılması sağlanmıştır. Çalışmanın son bölümünde ise, elde edilen yeni hava kanalı tasarımlarına ait debi miktarları ve bu yeni hava kanallarına sahip soğutucu kabinleri içindeki sıcaklık dağılımları mevcut durumdakilerle karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Sonuç olarak, yanıt yüzeyi yöntemi ile yapılacak optimizasyon çalışmaları sayesinde tasarım süreçlerinin kolaylaşacağı ve bunun yanında, optimum sonuca daha çok yaklaşılacağı görülmüştür. Hava kanalından başka, buzdolabı kabini içinde bulunan cam raflar ve kapı rafları gibi diğer unsurlar da bu yöntem ile parametrik olarak sıfırdan tasarlanabilir. Bu şekilde her bir unsuru parametrik olarak tasarlanacak olan soğutucu kabini, sıcaklık dağılımı ve soğutma performansı bakımından optimum halini alabilecektir.
Kömür madenleri için bantlı konveyör tasarımı ve tasarım parametrelerinin optimizasyonu
Bu çalışmada bantlı konveyörlerin tarihinden, avantajlarından, dezavantajlarından, tasarım faktörlerinden, konveyör profillerinden, bantlı konveyörlerin kullanım alanlarından, bantlı konveyörlerin elemanlarından, tahrik mekanizmalarından, kullanılacak olan denklemlerden ve problemden bahsedilmiştir. Günümüzde gelişen teknoloji ile beraber daha fonksiyonel fabrikalar, maden ocakları, enerji santralleri ve limanlar ortaya çıkmıştır. Yapılan çalışmalar ile ham madde işlenmesi ve buna bağlı olarak üretim de artmıştır. Gerek maden ocakları gerekse üretim fabrikalarında malzeme ve diğer sanayi ürünlerinin miktarları artmış ve bunların daha kolay, hızlı ve güvenilir bir şekilde taşınması ihtiyacı doğmuştur. Taşıma teknolojisi; zaman, hareket ve miktar parametrelerini içeren, yükün paketlenmesini, taşınmasını ve depolanmasını sağlayan, hizmet ve işlem bileşenlerinden oluşur. Taşıma sistemlerini belli bir çizelgeye koyma veya belirli bir çerçevede gruplandırmak kolay değildir. Çünkü sistemin içindeki birçok faktör(taşınacak malzemenin cinsi, iletilecek yer, istenen ekonomi, zaman vb) bütün sistemi değiştirebilir. Örneğin iki nokta arasında cam taşıma işlemi ile beton harcı taşıma işlemi arasında olay olarak benzerlik dışında az sayıda benzerlik bulunur. Taşıma sistemi bileşenleri için, eleman özellikleri dikkate alınmak suretiyle ancak genel sınıflandırmalar yapabilmek mümkündür. Bunlar sürekli taşıyıcılar ve kesikli taşıyıcılardır. Konveyörler sürekli taşıyıcılar grubundadır. Konveyörlerin rulolu, zincirli, bantlı, yer ve hava tipi çeşitleri vardır. Bantlı konveyörler malzemenin taşınmasını sağlamanın dışında zamandan, enerjiden, gerekli insan gücünden ve ekonomiden çok büyük tasarruf sağlar. Kamyonlar, tırlar ve diğer malzeme taşıyan kara ulaşım araçları zorlu doğa koşullarında büyük engeller ile karşılaşırken, bantlı konveyörler yüksek eğimli arazileri kolay bir şekilde geçer. Birim zamanda tonlarca malzeme taşınacaksa bantlı komveyörler çok iyi bir seçim olacaktır. İnsan faktörünün araçlara göre daha az olduğu bantlı konveyörler güvenli bir taşıma işlemi de sağlamaktadır. Bantlı konveyörler otomotiv, enerji, gıda ve maden sanayisinde sıklıkla kullanılmaktadır. Bantlı konveyörlerin en önemli avantajı çalışması sırasında düşük bir enerji ile çalışmasıdır. Bant hattı düşük bir maliyet ile kurulur ve ucuz servis ücretleri ile bakımı yapılır. Saatte tonlarca malzeme iletimi gerçekleştirilir ve çelik halatlı bantların kullanılması ile 62 km mesafedeki yerlere taşıma yapabilirler. Dezavantajları ise tam kapasite ile çalışmazlar ise düşük verim oluştururlar. Çalışma esnasında toz oluşumu da görülmektedir. İyi bir tasarım düşünülmez ise konveyör bandında yüksek aşınmalar oluşabilir ve bu durum da ekonomik olarak firmayı olumsuz etkileyebilir. Bantlı konveyörlerin en önemli elemanı taşıyıcı banttır. Bant taşınacak olan malzemeyi üzerine alır ve sürekli olarak çekme, gerdirme kuvvetleri altındadır. Konveyör bant düşük özgül ağırlık, bükülme, az nem çekme özelliği, yüksek dayanım ve uzun ömür gibi özelliklere sahip olması istenir. Aksi takdirde çalışma sırasında banttaki bir aksaklık sistemin bir anda durmasına ve ekonomik olarak kayıplara sebep olur. Bant hattı eğimsiz, aşağı eğimli ve yukarı eğimli olarak tasarlanabilir. Konveyör bantın ana iskeletini öz(karkas) oluşturur. Karkasın malzemesi pamuktan, ipekten, poliamitten, poliesterden, cam iplikten ve çelik malzeden olabilir. Çelik karkasın kullanılması bandın gerilmelere karşı daha sağlam ve uzun ömürlü olmasını sağlar. Böylece daha uzak mesafelere malzeme iletimi sağlanır. Çelik özler 2 ye ayrılırlar. Bunlar çelik kortlu özler ve çelik saclı özlerdir. Bir diğer önemli eleman ise tahrik tamburlarıdır. Banda ilk hareketi veren ve bandın ilerlemesini sağlayan elemana tahrik tamburu denir. Bir bantlı konveyörün tahrikinin tasarımı ve tertibi, en büyük bant çekme kuvveti ve iletmenin uzunluğuna göre hareketinden, ayrıca bandın önceden seçilmiş olan boyutlarından ortaya çıkmaktadır. Çalışma esnasındaki işletme şartları da göz önüne alınmalıdır. Tamburlar döküm yoluyla veya sac levhaların kaynak yöntemi ile uçlarının birleştirilmesi ile imal edilirler. Şekilleri silindir veya bombeli(fıçı) şeklindedir. İmalat esnasında yapılacak bir hata eksen kaçıklığına bu durumda konveyör bantta hasar meydana getirebilir. İletim esnasında bantta çekme ve basma gerilmeleri oluşur. Buna bağlı olarak bandın kalınlığı, çekme ve basma dayanımı tambur çapını belirleyen faktörlerdir. Eğer bir bant kendi mukavemet sınırları içinde ne kadar çok zorlanıyor ise tambur çapı o kadar fazla olmalıdır. Yeterince zorlanmayan bantlarda minimum çapın altına inilebilir. Bantlı konveyörler çoğunlukla elektrik motoru ile tahrik edilirler. Motorun devir sayısı tahrik tamburunkinden fazla olduğundan, en az iki kademeli bir dişli kutusu koymak gerekir. Bant tahrik sistemleri ortam şartlarına, kullanılacak elemanların özelliklerine ve taşınacak malzemenin özelliğine bağlı olarak; baştan tahrik, kuyruktan tahrik veya çift tahrik olarak tasarlanırlar. Konveyörü boşta çalıştırmak için gerekli gücün, malzemeyi yatay olarak nakletmek için gerekli gücün, malzemeyi düşey olarak nakletmek için gerekli gücün, malzemeyi ivmelendirmek için gerekli gücün ve diğer güç kayıplarının toplamı konveyör bandı tahrik etmek için gerekli güce eşittir. Ancak toplam güç hesaplanırken ortam şartlarına, çevre kirliliğine ve elektrik motorunun verimine dikkat edilmelidir. Çok tamburlu sistemlerde düşük bant gerilmeleri meydana gelir ancak ilave motor ve dişli sistemlerinden kaynaklanan ilave masraf yaratır. Bantlı konveyör tasarımında bant hareket hızının ve tahrik gücünün hesaplanması için taşıma malzemesinin özelliklerinin, yoğunluğunun, bant özelliklerinin, taşıma uzunluğunun ve eğimin bilinmesi gereklidir. Konveyör uygulamaları için tahrik sistemi seçilirken sistemin; gücüne, hız denetim aralığına, kalkış duruş sayısına, kullanım yeri şartlarına, momentin değişimine ve diğer tahrik sistemleri ile arasındaki ilişkiye dikkat edilmeli, geniş kapsamda elemanlar incelenmeli ve birçok soru yanıtlanmalıdır. Önemli seçim sabit hız ile değişken hızlı tahrik seçimidir. Tahrik sistemi seçiminde proses, mekanik, elektrik enerjisi ve maliyet şartları da göz önünde bulundurulmalıdır. Konveyör uygulamaları; hız aralığı boyunca sabit moment, yüksek başlangıç momenti, yüksek atalet, yüksek ivmelenme ve yavaşlama momentleri ve çoklu tahrikler arasında yük paylaşımı, kontrol altına alınmış duruşlar gerektirir. Ayrıca özellikle daha uzun konveyörler için tercihen daha doğal frekanslarla çalışan uygun hızlı ve bant çekmelerine sahip kompleks mekanizmalar kullanılır. Motorlar, tahrik tamburunu harekete geçirmeleri nedeniyle çok önemlidir. Sistemin gerekliliklerine göre bantlı konveyörlerde redüktörlü motorlar, alternatif kısa devre motorları, alternatif bilezikli motorlar ve tekil motorlar kullanılır. Doğru akım motorları elektriksel gücün mekanik güce çevrilmesi ile oluşan moment kuvveti sayesinde stator denilen düzeneğin rotor üzerinde manyetik olarak döndüğü sistemlerdir. Bobinler üzerinden geçen akımın oluşturduğu manyetik alanın meydana getirdiği kutuplaşma ile ileri ve geri yönlü olarak, yani zıt kutupların çekmesi ve aynı kutupların birbirini itmesi prensibinin dairesel harekete dönüştürülmesi ile mekanik hareket üreten bir yapıdır. Verilen denklemlerden ve standart çizelgelerden yararlanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Problem 500m eğimsiz ve 100m 30o eğime sahip iki konveyörün oluşturduğu hattın 500t/h debiye sahip taş kömürünün taşınmasıdır. Hesaplamaların sonunda bantlı konveyörde kullanılacak olan parçaların boyutları elde edilmiştir. Konveyör eğimi, sarılım açısı ve makara grupları parametreleri kullanılarak güç ve bant kuvvetlerinin değişimlerinin grafikleri oluşturulmuştur. Çeşitli yorumlar yapılmıştır.
Optimization of a centrifugal compressor impeller using genetic algorithm coupled with artificial neural networks
Nowadays, obtaining a state of art design for any kind of turbo machinery is clearly an issue of optimization and efficient methodology, since the difference between a decent and unacceptable design is determined by very small changes to the design. It can be very though or demanding task to fulfill the performance criteria such as range and efficiency with trial and error. Consequently, automatization of the design process redounds significant amount of time and effort alongside ensuring a certain level of confidence. Taking into consideration the aforementioned, a design methodology for the centrifugal compressors has been developed using on the shelf commercial tools and put to use. In the scope of this work, impeller of an experimental compressor of a micro turbojet engine will be utilized as baseline for optimization. Only impeller part of the compressor is the concern for this study, however the same methodology can be applied to any part of a turbomachinery, given the adequate amount of time. Results are compared to demonstrate the power of the methodology over a trial and error design. Baseline impeller has a pressure ratio of 1:4 with approximate isentropic efficiency of %85. Target for the optimization was at least %1 increase in isentropic efficiency, at the design point, without any change to pressure ratio, mass flow. Optimized impeller is going to replace the baseline and must work with the same baseline diffuser. This means that any increase in the performance parameters of the compressor is due to the geometrical changes in impeller only. Geometry parametrization is the first step and performed using Bezier curves. Any other geometrical parameters are frozen throughout this thesis. The range of geometrical parameters is determined mostly by manufacturing reasons or practical purposes. Rest of the process includes setting up a database automatically with the help of ANSYS Workbench, training an artificial neural network which has been presented by MATLAB as a fast performance prediction tool and a genetic algorithm code for creating new individuals (designs) until optimization criteria are satisfied. Thanks to the developed methodology, baseline impeller's total to total isentropic efficiency has been improved by %1.5 at the end of the study without any significant change to the mass flow ratio and pressure ratio. Furthermore, only internal geometry of the impeller (blade angle distribution) has been modified, meaning that optimized impeller can be retrofitted to the baseline compressor without any inconvenience.
Kısmi yüklü dalgakılavuzları ile mikrodalga cihazı tasarımının ters saçılma ve optimizasyon problemi olarak incelenmesi
Dalgakılavuzları yüksek güç taşıma kapasiteleri, düşük kayıp özellikleriyle mikrodalga cihaz tasarımında ve geniş bandda malzemenin elektriksel özelliklerini iyi doğrulukla belirleme yetenekleriyle mikrodalga mühendisliğinde önemli bir yere sahiptirler. Dairesel dalgakılavuzları düşük güç kaybı, kolay üretilebilirlik avantajına sahip olmalarına karşın literatürde fazla yer almamaktadırlar. Bunun nedeninin dairesel dalgakılavuzlarına ilişkin modal analiz zorluğu olduğu düşünülmektedir. Tez kapsamında ilk olarak dairesel dalgakılavuzlarına yüklenmiş keyfi şekilli, inhomojen, manyetik olmayan, kayıplı dielektrik cisimler için dielektrik profilin elde edilmesi problemi ele alınmıştır. Düz problem sonuçları, süreksizliğin elektriksel özellikleriyle dalgakılavuzu içerisindeki alan ifadelerini bağlayan integral denklemin Moment Metoduyla çözümünden elde edilmiştir. Ölçüm bilgisi yerine düz problem çözümünden yapay olarak üretilmiş saçılan alan bilgisi ters problem algoritmasının testinde kullanılmıştır. Ters problem algoritması, Newton tipi yinelemeli optimizasyon içermektedir. Ele alınan yaklaşım, inhomojen cismin dielektrik profilinde hızlı değişimlere göre yavaş değişimli profiller için daha başarılı sonuçlar vermektedir. Dairesel dalgakılavuzlarına ilişkin çözülen ters problem, ayrıca tasarım problemlerinde kullanılma potansiyeli taşımaktadır. Bu tezde cihaz tasarımına ilişkin çalışmalar esnasında kullanılacak homojen dielektrik malzemelerin elektriksel özelliklerinin doğru bir şekilde elde edilmesi, tasarım aşamaları için önem taşımaktadır. Malzemenin dielektrik değerini belirleme problemi, inhomojen bir cismin dielektrik profilini çıkarma probleminden iyi bir doğrulukla dielektrik değerini belirleme beklentisi bakımından farklılaşmaktadır. Bu çalışmada, homojen malzemelerin dielektrik değerinin belirlenmesi için frekansta ayrık ve çoklu frekans bilgisi olmak üzere iki yaklaşımda bulunulmuştur. Dikdörtgen dalgakılavuzuna yerleştirilen homojen malzemeye ait yansıma katsayısı vektör netvörk analizörle ölçülmüştür. Ters problem algoritması olarak Newton-Raphson kök arama rutini seçilmiş ve saçılan alan ile malzemenin dielektrik değeri arasındaki bağlantı ilintili integral denklemin moment metodu ile çözümünden elde edilmiştir. Ayrık frekans yaklaşımında gürültünün baskın olduğu durumda faz bilgisindeki ciddi bozulmalar, geniş bandda kararlı bir çözüm elde edilememesine neden olmuştur. Bu nedenle, malzemenin karmaşık dielektrik değeri modellenerek çoklu frekans bilgisi yardımıyla ele alınan problem çözülmüş ve geniş bandda kararlı sonuçlar elde edilmiştir. Dalgakılavuzlarıyla cihaz tasarımları ilk olarak yapının geometrisi düzensizleştirilerek veya içerisine metal süreksizlikler yerleştirilerek yapılmıştır. Yüksek dielektrik değerine sahip düşük kayıplı dielektrik malzemelerin üretilmesiyle birlikte dielektrik yüklü metalik dalgakılavuzları daha küçük boyutlu olmaları, yüksek gerilime dayanma yetenekleri ve yüksek kalite faktörü özellikleriyle tasarımda öncelik kazanmışlardır. Düzensiz dalgakılavuzlarının üretim zorlukları, frekans cevabının üretimdeki hatalara yüksek bağımlılığı gibi dezavantajları bulunmaktadır. Tasarımda hem dielektrik yüklemenin avantajlarından faydalanmanın, hem de düzensiz dalgakılavuzlarının dezavantajlarından kaçınmanın bir yolu dielektrik yüklü düzenli dalgakılavuzları kullanmaktır. Ancak düzenli dalgakılavuzlarının dielektrik yüklenerek cihaz tasarımında kullanılmasına ilişkin gerçeklenebilir çok az sayıda çalışma bulunmaktadır. Tez kapsamında iki tip dielektrik yüklü dalgakılavuzu yapısı ele alınmıştır. İlk olarak kesitte homojen, dalganın ilerleme yönünde inhomojen dielektrik dağılıma sahip uzunlamasına inhomojen dalgakılavuzlarına (UİDK) ait frekans cevabının kontrolü problemi incelenmiştir. Yapı, farklı katmanlardan oluşan özdeş birim hücrelerin ardışıl bağlanmasıyla oluşturulmuş ve tüm yapının doğrudan tasarımı yerine problem birim hücrenin tasarımına indirgenmiştir. Birim hücrenin tasarımı, sınırlandırılmış bir uzayda başlangıç değerlerine hassas yinelemeli bir optimizasyon yöntemi olan güvenli bölge optimizasyonu ile yapılmıştır. Bu nedenle başlangıç değerlerinin üretilmesi için ilgili geometriye ait ilk yansımaların dikkate alındığı yaklaşık düz problem tanımlanmıştır. İstenen frekans cevabı ile yaklaşık düz problem arasında kurulan matematiksel bağıntıdaki bilinmeyenler başlangıç değerler olarak yaklaşık ters problem şeklinde tanımlanmıştır. Birim hücrenin yaklaşık ters problem ile elde edilen başlangıç değerleri kullanılarak sınırlandırılmış uzayda güvenli bölge optimizasyon yöntemi ile tasarımından sonra, elde edilen sonuçları iyileştirmek için kaskat bağlı yapının frekans cevabını hedefleyen ikinci bir optimizasyon adımı eklenmiştir. Bu adımda kaskat yapının frekans cevabı, baskın modun göz önüne alındığı mod eşleştirme yaklaşımı ile formüle edilmiştir. \\ UİDK yapılarını oluşturmak için her katmanın düzgün olarak kesilmesi ve bir çok uygulamada birden fazla malzeme kullanılması ve katmanların bir arada tutulması gerekmektedir. Bu dezavantajları ortadan kaldırarak frekans cevabı kontrolü sağlayan bir yaklaşım, dalgakılavuzunun kesitinde süreksizlik oluşturmaktır. Bu tip doldurma ile enine inhomojen dalgakılavuzu (EİDK) yapıları böylece tek malzeme ile mekanik sağlamlığa da sahip olmaktadır. EİDK yapısını oluşturan ardışıl parçaların modal etkileşim hesapları, iletimde ve kesimde olan modların hesaba katılmasını gerektirmektedir. İlgili modal analiz için bir yaklaşım, UİDK yapılarında olduğu gibi iki kapılı devreye ait saçılma matrisi yerine üst modların da dikkate alındığı genelleştirilmiş saçılma matrisi yapılarının oluşturulmasıdır. EİDK yapısını oluşturan kendi içinde sürekli blokların genelleştirilmiş blok saçılma matrisleri, ilgili duruma uygun kurulmuş integral denklemin moment metodu ile çözümünde elde edilen saçılan alan bilgisinden modların ayrıklaştırılması ile kurulmuş, kaskat yapının genelleştirilmiş saçılma matrisi ise bloklara ait genelleştirilmiş blok saçılma matrislerinin matematiksel manipülasyonu ile elde edilmiştir. Ancak optimizasyon sürecini genelleştirilmiş saçılma matrisleri aracılığıyla yapmak altından kalkılması zor işlem yükü getireceğinden EİDK yapının frekans cevabı modeli UİDK biçiminde kurulmuş, optimizasyon süreci eşdeğer UİDK yapısı üzerinden gerçekleştirilmiştir. EİDK eşdeğeri UİDK modelleme için kesitte inhomojen yüklenen malzemeye ait dielektrik değer ile kesiti tam doldurduğu varsayılan etkin dielektrik arasında iletim sabiti üzerinden denklik kurulmuştur. Önerilen UİDK ve EİDK tasarım yönteminin testi için dielektrik değeri tez kapsamında önerilen yaklaşımla ölçülen malzeme ile cihaz tasarımı yapılmıştır. Malzemenin kayıpsız olduğu varsayımıyla tasarlanan geometri için beklenen ve ölçülen frekans cevaplarının uyumlu olduğu görülmüştür. EİDK yapı için tasarımın beklenen cevaba yakınlığı, UİDK yapısına göre daha fazla olmuştur. Bunun başlıca nedeni EİDK yapısının hazırlanış sürecinin UİDK yapısına göre daha kolay olması, dolayısıyla tasarımda hataların azalmasıdır. Tez kapsamında, UİDK ve EİDK yapılar ile mikrodalga cihazı tasarımı için filtre yapıları seçilmiştir. Önerilen yöntem tasarım sürecini ters saçılma problemi olarak tanımlamaktadır. Bu yaklaşımda tasarım, frekans cevabı kontrolüne dayandığı için herhangi bir mikrodalga cihazı tasarımında kullanılabilirlik potansiyeli taşımaktadır.
Ticari enerji içeceklerindeki bileşenlerin kantitatif analizleri için kemometrik optimizasyon metodolojisi kullanılarak aşırı yüksek performanslı sıvı kromatografisi yöntemlerinin geliştirilmesi
Günümüzde ticari enerji içecekleri insanlar, özellikle de gençler tarafından önemli ölçüde tüketilmektedir. Bu nedenle bu ürünlerin kaliteleri, kalite kontrolleri ve rutin analizleri insan sağlığı ve gıda sektörü açısından oldukça ilgi çekicidir. Ayrıca bu enerji içeceklerinin içerikleri de gün geçtikçe değişmektedir. Bu durum, gıda endüstrisinde çalışan bilim insanlarını ve analistleri, ticari enerji içeceklerinin içeriğini doğru bir şekilde tespit edebilmek için yeni analitik yöntemler geliştirmeye veya eski analitik yöntemleri güncellemeye zorlamaktadır. Bu doktora tezinde, deneysel tasarım ve optimizasyon prosedürleri kullanılarak iki farklı ticari enerji içeceğinde (ticari enerji içeceği (I) ve ticari enerji içeceği (II)), PDA sistemi tarafından tespit edilebilen bileşenlerin eş zamanlı kantitatif analizleri için yeni UPLC yöntemleri geliştirilmiştir. UPLC yöntemlerinin deneysel tasarım ve optimizasyon metodolojisi ile geliştirilmesinde, üç faktörlü üç seviyeli tam faktöriyel tasarım (FFD) kullanılmıştır. İlk ticari enerji içeceğinde (I) kafein (KAF) ve Potasyum sorbat (PS) analizi için yapılan ön deneylerde, kromatografik cevabı etkileyen önemli faktörler ve bunların etkileşimleri olarak kolon sıcaklığı, akış hızı ve mobil fazdaki tampon yüzdesi bulundu. Bir sonraki aşamada, faktörlerin seviyeleri belirlenmiş ve ardından 33 tam faktöriyel tasarım matrisinin kromatogramları, 284 nm dalga boyunda PDA tespiti ile kaydedilerek kromatografik cevap faktörü (KFC) değerleri elde edilmiştir. Tasarım matrisi ve KCF değişkenleri arasındaki ilişkiden ikinci dereceden bir denklem hesaplandı ve ardından optimum kromatografik koşulları elde etmek için çözüldü. Ticari enerji içeceği (I)'in UPLC analizi için, optimum kromatografik şartlar, kolon sıcaklığı 58,9 °C, mobil fazdaki tampon yüzdesi %59,3 ve akış hızı 0,24 mL/dk olarak bulundu. Yukarıdaki koşullar altında, numunelerdeki KAF ve PS'nin ayrılması, 0.4 mL trietilamin (TEA)/L varlığında metanol ve 0.1 M H3PO4 tamponu, pH 2.15 (59.3:40.7, v/v) içeren bir mobil faz kullanılarak, Waters Acquity® BEH C18 kolonu (100 mm x 2,1 mm i.d., 1,7 µm) üzerinden gerçekleştirildi. İlk ticari enerji içeceğinin analizinde olduğu gibi, ikinci ticari enerji içeceğindeki (II) dört bileşiğin (niasin (B3), sodyum benzoat (SB), PS ve KAF) analizi için yeni bir UPLC yöntemi geliştirildi. İkinci ticari enerji içeceğindeki (II) dört bileşiğin miktarının belirlenmesi için UPLC yönteminin geliştirilmesinde, aynı kromatografik faktörler (kolon sıcaklığı, mobil fazdaki tampon yüzdesi ve akış hızı) üç seviyeli ve üç faktörlü tam faktöriyel tasarım kullanılarak optimize edildi. İkinci ticari enerji içeceğinin kantitatif analizinde, optimum kromatografik koşullar kolon sıcaklığı için 52,7 °C, mobil fazdaki tampon içeriği yüzdesi için %24 ve akış hızı için 0,25 mL/dak olarak belirlenmiştir. Enerji içeceği numunesi (II)'de B3, SB, PS ve KAF'nin kromatografik ayrımı, 0,5 mL TEA/L varlığında 0,08 M (NH4)2CO3, H2O ve metanol (24: 24,8: 51,2, v/v/v) içeren bir mobil faz sistemi kullanılarak Waters Acquity ® BEH C18 kolonu (100 mm x 2.1 mm i.d., 1.7 µm) ile gerçekleştirildi. Yukarıdaki kromatografik koşullar altında, tam faktöriyel tasarım numunelerinin kromatogramları, 230 nm dalga boyunda PDA tespiti ile elde edildi. KCF değerleri, kaydedilen kromatogramlardan hesaplandı. Daha sonra, KCF ve tasarım matrisi değişkenleri arasındaki regresyon analizi kullanılarak ikinci dereceden denklem hesaplandı. İkinci dereceden denklem çözüldükten sonra optimum kromatografik koşullar elde edildi. Yukarıda bahsedilen deneysel UPLC koşullarında 2,0-26,0 µg/mL ve 4,0-28,0 µg/mL lineer konsantrasyon aralığında KAF ve PS içeren kalibrasyon numunelerinin kromatogramları, sırasıyla maksimum dalga boyuna karşılık gelen 272,4 ve 262,9 nm'de PDA tespiti ile kaydedildi. Konsantrasyon ve pik alanları arasındaki ilişki kullanılarak, her bir bileşik için yüksek bir korelasyon katsayısına sahip (her iki bileşik için 1.0) bir lineer regresyon denklemi elde edildi. Kalibrasyon eğrisinin kesim noktasının standart sapmasından, gözlenebilme sınırı (LOD) ve tayin sınırı (LOQ) değerleri KAF için sırasıyla 0,18 µg/mL ve 0,59 µg/mL ve PS için 0,20 µg/mL ve 0,65 µg/mL olarak hesaplandı. Daha sonra optimize edilmiş UPLC yöntemi, test numuneleri (bağımsız test numuneleri, günler arası ve gün içi numuneler ve standart ekleme numuneleri) analiz edilerek valide edilmiştir. Tatmin edici yüzde geri kazanım sonuçları elde edildi (KAF için %100,7 ve PS için %100,5). Validasyon çalışmalarından elde edilen sonuçlar, yeni geliştirilen yöntemin tekrarlanabilir, kesin, doğru, seçici ve uygulanabilir bir yöntem olduğunu ortaya koymuştur. Son olarak geliştirilen yöntem KAF ve PS'den oluşan ticari enerji içeceği (I) numunesinin analizine uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, ürün etiketinde belirtilen miktar ile uyumluydu. İkinci enerji içeceği örneğinde (II) B3, SB, PS ve KAF'nin yukarıda belirtilen kromatografik UPLC koşulları altında eş zamanlı analizi için, B3, SB, PS ve KAF içeren kalibrasyon numunelerinin kromatogramları, 5.0-25.0 µg/mL, 4.0-20.0 µg/mL, 6.0-30.0 µg/mL, and 5.0-25.0 µg/mL lineer konsantrasyon aralığında, maksimum dalga boyuna karşılık gelen dalga boylarında sırasıyla 215.7, 223.9, 253.5, and 273.6 nm'de PDA tespiti ile kaydedildi. B3, SB, PS ve KAF'nin konsantrasyon ve pik alanları arasındaki ilişki kullanılarak, her bir bileşik için yüksek korelasyon katsayılı (B3 için 0.9994, SB için 0.9982, PS için 0.9996 ve KAF için 0.9996) lineer regresyon denklemleri üretildi. B3, SB, PS ve KAF'nin LOD ve LOQ değerleri, kalibrasyon eğrisinin standart sapması ve kesim noktası kullanılarak hesaplandı ve B3 için 1,00 µg/mL ve 3,34 µg/mL, SB için 1.37 µg/mL ve 4.55 µg/mL, PS için 0.84 µg/mL ve 2.80 µg/mL ve KAF için 1.01 µg/mL ve 3.37 µg/mL olarak bulundu. B3, SB, PS ve KAF'nin eşzamanlı analizi için yeni geliştirilen UPLC yönteminin validasyonu, test numuneleri (bağımsız test numuneleri, gün içi ve günler arası numuneler ve standart ekleme numuneleri) kullanılarak gerçekleştirildi. Yüzde geri kazanım sonuçları B3, SB, PS ve KAF için sırasıyla %101,2, %99,9, %99,2 ve %99,6 olarak elde edildi. Bu sonuçlar, bu yöntemin B3, SB, PS ve KAF'nin eş zamanlı analizi için seçici, doğru ve güvenilir bir yöntem olduğunu göstermiştir. Son olarak geliştirilen yöntem, ticari enerji içeceği (II) numunesindeki dört bileşiğin eş zamanlı analizine uygulanmış ve tatmin edici sonuçlar elde edilmiştir. Deneysel analiz sonuçları ile ticari enerji içeceğinin (II) beyan edilen etiketi arasında iyi bir uyum gözlendi. Bu doktora tezi, optimize edilmiş ve onaylanmış UPLC yöntemlerinin, analiz edilen enerji içeceklerindeki söz konusu bileşiklerin kalite kontrolü ve rutin analizi için alternatif yöntemler olarak kullanılabileceğini ortaya koydu.