4,336
Archived Theses
6
DOIs Assigned
0%
DOI Rate
Discipline
Bulaşık makinesi yıkama performansına etki eden mekanik parametrelerin deneysel ve teorik olarak incelenmesi
Günümüzde teknolojinin ilerlemesiyle beraber insan hayatını kolaylaştıran makineler üzerinde yapılan çalışmalar da artmıştır. İnsanların en çok zaman geçirdiği mekân olan evlerde kullanılan ev aletleri de bu değişimden pozitif olarak etkilenmekte ve insan hayatını kolaylaştıracak yönde yapılan araştırma ve geliştirme faaliyetleri sektördeki şirketlerin AR-GE merkezlerinde yürütülmektedir. Yapılan çalışmalar beyaz eşya üreticileri arasında rekabet oluşturmakta ve firmalar daha performanslı, daha az enerji tüketen, daha sessiz ve daha verimli makineler üretmek adına yoğun bir çaba göstermektedir. Sektörde yer alan firmalar birbirleri ile rekabet ederken fark yaratan makineler tasarlamak ve müşteri algısını geliştirmek için yoğun bir çalışma içerisindedirler. Üretim adetlerinin çok yüksek sayılarda olması bu makinelere talebin çok fazla olduğunu göstermektedir. Firmaların satış rakamlarını artırabilmesi ancak müşterinin konforunu artıran ve fark yaratan tasarımlarla mümkün olabilmektedir. Bu çalışmada yıkayıcı ev aletlerinden biri olan bulaşık makinelerinin, yıkama etkinliğini artırma amacına yönelik tasarlanan pervane mekanizmasının detaylı bir şekilde incelenmesi ve prototipinin oluşturularak yapılan deneysel çalışmalar ile performans iyileştirmesi ele alınmıştır. Bulaşık makinelerinin yıkama performansı dört etkene bağlıdır. Bunlar kimyasal etki, mekanik etki, sıcaklık ve zaman olarak sıralanabilir. Bu çalışmada bulaşık makinesindeki yıkama performansını etkileyen mekanik etki faktörünün artırılmasına yönelinmiştir. Mekanik etki yıkama performansında diğer etkenlere göre daha az bir paya sahip olsa da insanlar kimyasal yolla temizleme işlemini sağlıklı bulmamakta ve alternatif çözüm yolları aramaktadır. Ayrıca müşteriler uzun süren yıkama işlemleri sonucunda da memnuniyeti yüksek bir kullanıcı deneyimi yaşayamamaktadır. Bu nedenlerle mekanik etkinin arttırılarak temizleme performansının arttırılması üzerine olan bu çalışmanın doğrulaması, mekanik etkinin ne olduğu ve nasıl arttırıldığı üzerinden yapılabilir. Tasarım aşamasında bulaşık makinesinde mevcut durumda kullanılan pervane sistemi incelenmiş ve geliştirmeye açık yönler belirlenmiştir. Bunun yanı sıra sektörde rekabet halinde bulunan firmaların yıkama sistemleri incelenerek çok yönlü bir araştırma yapılmıştır. Bu aşamada literatürde yer alan makalelerden de faydalanılarak bulaşık makinelerinin temizleme performansının değerlendirme ölçütlerinin nasıl yapıldığı araştırılmıştır. Tasarım kriterleri oluşturulurken mevcut bulaşık makinesinde bulunan geometrik kısıtların korunmasına dikkat edilmiş olup, mevcut sistemde en az değişiklik yapılarak bir tasarım yapılmasına önem verilmiştir. Bu durum tasarlanan sistemin maliyetini düşürerek firmaya daha kolay devreye alınabilecek bir proje sunacaktır. Tasarım kriterlerinin oluşturulmasının ardından taslak çizimler oluşturulmuştur. Taslak çizimlerin ardından yapılan hesaplamalar ve boyutlandırmalar ile CAD ortamında tasarım oluşturulmuştur. Ön şekillendirme aşamasında oluşturulan tasarımın aşamadığı geometrik kısıtlar tespit edilmiştir. Bunun yanı sıra yapılan müşteri araştırmalarında bulaşık makinesi içerisinde gözle görülen bir noktada dişli mekanizması bulunması müşteriler tarafından istenmeyen bir durumdur. Ön şekillendirme aşamasında gözlemlenen bu problemleri aşabilmek adına yeni çözümler üzerinde çalışılmıştır. Bu noktada dişlilerin pervane içerisine taşınması düşünülerek yola çıkılmış ve tasarlanacak sistemde öncelikli olarak buna yoğunlaşılmıştır. Tasarımın dişlilerin pervane içerisine taşınarak son aşamaya gelmesi için, pervane boyutları ve dişli boyutları tekrardan hesaplanmıştır. Pervanelerin ve dişlilerin yataklanması ön şekillendirme aşamasına göre farklılaşmıştır. Ön şekillendirmede aşılamayan geometrik kısıtları aşmak adına ana pervane kademeli hale getirilmiştir. Yapılan tasarımın doğrulanması aşamasında literatürde yer alan makalelerden faydalanılarak bir mekanik etki faktörü belirlenmiştir. Mekanik etki faktörü matematiksel olarak ifade edilmiş ve mevcut bulaşık makinesindeki mekanik etki faktörü ile yeni tasarım bulunduğu makinenin mekanik etki faktörü karşılaştırılarak tasarım doğrulanmıştır. Tasarımın doğrulanmasının ardından prototip imalatı gerçekleşmiştir. Prototip imalatında hızlı prototipleme teknolojilerinden olan 3 boyutlu yazıcılardan ve CNC tezgahlardan faydalanılmıştır. Bu üretim yöntemleri sayesinde çok kısa bir sürede çalışır prototip elde edilmiştir. Çalışır prototip makineye montajı yapılarak deneysel çalışmalara tabi tutulmuştur. Bu deneysel çalışmalar EN 50242 Bulaşık Makineleri Yıkama Performansının Ölçülmesi standardına göre yapılmıştır. Yıkama performansı ölçülen yeni tasarımda yıkama etkinliğinin arttığı gözlenmiş ve deneysel sonuç ile mekanik etki faktörü hesabından elde edilen matematiksel sonucun örtüştüğü görülmüştür. Tasarım ile elde edilmek istenen yıkama etkinliğinin artırılması yapılan testler ve oluşturulan matematik model ile doğrulanmış ve daha performanslı bir pervane sistemi ortaya çıkmıştır.
Santrifüj kuvvet altında tekstil içerisindeki su hareketinin incelenmesi
Bu çalışmada, pamuklu tekstil katmanlarından oluşan gözenekli ortamdan, santrifüj kuvvet altında suyun uzaklaştırılması deneysel olarak incelenmiştir. Gözenekli ortamda bulunan su ve katı fazın davranışı ile ilgili parametreler ayrıntılı olarak ortaya konulmuştur. Gözenekli yapı içinde kalan su miktarının hesaplanmasına yönelik matematik model geliştirilmiştir. Santrifüj kuvvet altında tekstilde kalan su miktarını azaltmaya yönelik literatürde farklı çalışmalar bulunmaktadır. Devir, kuru katı faz ile su miktarı (yük miktarı) ve yüzey gerilimine bağlı deneysel çalışmalar mevcuttur. Ancak zamana bağlı sistematik bir çözüm yöntemine rastlanmamaktadır. Literatürde, sadece deneysel çalışmaların yapıldığı koşullarda geçerli yarı ampirik ifadeler sunulmaktadır. Diğer taraftan, çamaşır makinesinde sıkma sonunda tekstil üzerinde kalan su miktarını azaltmaya yönelik, D06F 35 patent sınıfı altındaki başvurularda ise genel olarak suyun ısıtılması, buhar kullanımı ve algoritma optimizasyonu gibi yöntemler ile karşılaşılmaktadır. Tez çalışması kapsamında literatürden farklı olarak kılcallık ve değişken gözeneklilik etkilerini de içine alan, santrifüj kuvvet altında gözenekli ortam akış modeli oluşturulmuştur. Pamuklu tekstil katmanlarından oluşturulan çeşitli gözenekli yapılarda su akışı ve katı fazın şekil değiştirmesi ile ilgili parametrelerin belirlenmesi için deney düzenekleri hazırlanmıştır. EN60456:2011 standardında tanımlanan pamuklu yapıdaki çarşaflar üst üste dizilerek gözenekli ortam oluşturulmuştur. Pamuklu dokumada kullanılan iplik ve çarşaf katmanı mikroskop altında incelenerek iplik çapı ve katman kalınlığı belirlenmiştir. Santrifüj kuvvet altında gözenekli yapı ezildiğinden toplam kalınlık azalmakta ve gözeneklilik de değişmektedir. Bu durumu simüle etmek için farklı sayıdaki katmanlardan oluşturulan gözenekli yapının basınç altında kalınlık ve gözeneklilik değişimi ölçülmüştür. Ölçüm değerlerinin analizi edilerek uygun boyutsuz sayılar belirlenmiş ve regresyon analizi ile gözenekliliğin basınçla değişimini veren ilişki elde edilmiştir. Santrifüj kuvvet altında gözenekli katmanın sıkılmasının deneysel olarak incelenmesi amacıyla çamaşır makinesi benzeri bir deney düzeneği hazırlanmıştır. Çarşaf katmanları farklı boyutlarda ve adetlerde kesilerek tambur çeperine monte edilebilecek şekilde deney setleri (yük) oluşturulmuştur. Bu yükler kullanılarak homojen yapıda bir gözenekli ortamdan su uzaklaştırma deneyleri yapılmıştır. Deneysel çalışmalar sırasında yük miktarı, devir ve sıcaklık gibi parametrelerin su uzaklaştırma hızı ve gözenekli yapıda kalan su miktarına etkileri incelenmiştir. Deneyler sonunda elde edilen ham veriler literatürde tanımlı olan sıkma indeksi ve doyma sayısına dönüştürülerek analiz edilmiş ve literatür ile karşılaştırılmıştır. Deney sonunda elde edilen sıkma indeksi değerlerinin devir arttıkça azaldığı, yük miktarı azaldıkça arttığı görülmüştür. Sıkma indeksinin zamana bağlı olarak değişimine göre ivmelenme sırasında gözenekli ortamdan çıkan su miktarı artmakta ve sıkma indeksinde büyük bir düşüş meydana gelmektedir. Tambur hedeflenen devire ulaştığında, sıkma indeksinin düşme hızı azalmakta ve deneyin sonuna doğru asimptota oturmaktadır. Presle yapılan deneyden elde edilen gözeneklilik-basınç değişimi ilişkisinden doyma sayısının elde edilebilmesinde yararlanılmıştır. Tambur devir sayısına bağlı olarak gözenekli yapıda kalan su miktarının (indirgenemez doyum) azaldığı belirlenmiştir. İvmelenme safhası sonuna doğru, doyma sayısının birden küçük bir değere indiği görülmüştür. Gözenekli yapı boşluklarında bulunan su miktarını gösteren doyma sayısının birden küçük olması yapıdaki boşluklara bir miktar havanın dolduğunu göstermektedir. Hedeflenen tambur devir hızına ulaşıldığında ise doyma sayısı birden küçük bir değere asimptotik olarak yaklaşmıştır. Dönen eksen takımında gözenekli katı ve sıvı faz için ayrı ayrı süreklilik ve momentumun korunum denklemleri yazılmıştır. Katı faz için momentum denklemi integral formda çözümlenerek şekil değiştirme ile gerilme arasındaki ilişki belirlenmiş ve deneysel sonuçlar yardımıyla gerilme-şekil değiştirme denklemi elde edilmiştir. Bu denklem katı fazın santrifüj etki altındaki şekil değiştirme davranışını ortaya koymaktadır. Sıvı faz için süreklilik denkleminin integral ifadesi yardımıyla tamburdan atılan suyun ortalama hızını veren denklem belirlenmiştir. Bu denklemden yararlanılarak deneysel veriler analiz edildiğinde, tamburdan çıkan suyun ivmelenme sırasında maksimum değere ulaştığı görülmüştür. Yük miktarı arttıkça maksimum hız değerinin arttığı belirlenmiştir. Sıkma işleminin sonunda, gözenekli ortamdan su çıkışı durduğundan kılcal basınç santrifüj basınca eşit olmaktadır. Regresyon analizi yapılarak kılcal basınç, devir, yarıçap, katman sayısı ve kalan su miktarı boyutsuz sayılarla ifade edilmiş ve aralarındaki ilişkiyi veren bir korelasyon elde edilmiştir. Sıvı faz için hesaplanan Reynolds sayısı çok düşük değerde olduğu için akış rejiminin Darcy rejimi olduğu gösterilmiştir. İntegral formdaki momentum denkleminden ivme, kılcal basınç, santrifüj basınç ve Darcy terimleri arasındaki ilişki elde edilmiştir. Kılcal basıncın santrifüj kuvvete eşit olduğu kabul edilerek, bu ilişkiden geçirgenlik değerleri elde edilmiştir. Regresyon analizi ile geçirgenlik değerleri ve doyma sayısı arasında üstel bir ilişki olduğu ortaya konulmuştur. Matlab yazılımı kullanılarak gözenekli ortamda santrifüj kuvvetler altında su hareketi ve kalan su miktarıni belirlemek için bir hesaplama algoritması geliştirilmiştir. Korunum denklemleri ve deneysel olarak bulunmuş olan ortama ait ilişkilerle birlikte algoritmada beş adet denklem kullanılmaktadır. Bu denklemler gözenekli ortamdan santrifüj etki ile suyun uzaklaştırılmasını ve katının ezilme davranışını ortaya koymaktadır. Tambur çapı, tambur derinliği, sıkma algoritması, sıcaklık ve yük miktarı bu matematik modelin girdileridir. Bu modelin çözümünden hesaplanan sıkma indeksi değerleri deneysel değerlerle karşılaştırıldığında aradaki farkın en fazla ±%5 olduğu belirlenmiştir. Bununla birlikte modelden elde edilen zamana bağlı uzaklaştırılan su debisi ve sıkma indeksi değerleri de deneysel sonuçlarla oldukça uyumlu çıkmıştır. Deneysel sonuçlarımızla gerekli karşılaştırmaları yapılan Matlab yazılımı ile farklı boyutlara sahip tambur için hesaplamalar yapılmış ve literatürdeki deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Hesaplanan değerlerin deneysel sonuçlardan en fazla %±4 farklı olduğu tespit edilmiştir.
Eksenel fanlarda rotor-stator etkileşim yüzeyi modellerinin ve kanat profillerine kaydırma uygulamasının performansa etkileri
Bu çalışmada eksenel fan modeli kullanılarak rotor ve stator kademeleri arasında tanımlanan etkileşim yüzeyi modellerinin ve rotor kanadı profilleri üzerinde uygulanan kaydırma yönteminin etkileri HAD analizleri yapılarak incelenmiştir. Turbomakinelerin HAD analizlerinde rotor ve stator kademeleri arasındaki geçişler için tanımlanan duran çark (frozen rotor), karışım yüzeyi (stage-mixing plane) ve zamana bağlı rotor stator (transient rotor-stator) modeli olmak üzere üç farklı model bulunmaktadır. Tezin ilk bölümünde bu üç modelin referans eksenel fan modelinin performansına etkisini incelemek için zamandan bağımsız analizlerde kullanılan duran çark ve karışım yüzeyi modelleri ile zamana bağlı analizler için geliştirilen zamana bağlı kanat kademesi (transient blade row) modellerinden zaman dönüşümü (time transformation) modelleri kullanılarak analizler gerçekleştirilmiş ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Analizler, belirlenen devir sayısında ilk olarak zamandan bağımsız rotor-stator etkileşim yüzeyi modellerinden duran çark ve karışım yüzeyi modelleriyle çözülmüştür. Daha sonra başlangıç şartları karışım yüzeyi çözümleri tanıtılarak zamana bağlı kanat kademesi modellerinden, zaman dönüşümü yöntemiyle çözülmüş ve analiz sonuçları farklı performans parametreleri üzerinden kıyaslanmıştır. Üç farklı etkileşim yüzeyi modeli kullanılarak analiz edilen eksenel fan modeli analizi sonuçları kıyaslandığında, karışım yüzeyi ve duran çark modelleri ile elde edilen statik basınç ve verim eğrilerinin birbirlerine yakın sonuçlar verdiği, zaman dönüşümü modelinin ise bu iki modelden özellikle düşük debilerde daha fazla statik basınç artışı ve verim oluşturduğu görülmüştür. Daha sonra bu üç yöntemle elde edilen HAD analizi sonuçları son işleyici modülü üzerinden, rotor ve stator kanatları üzerinde oluşan basınç ve hız dağılımları, akım çizgileri ve kanat üzerinde oluşan basınç dağılımları gibi parametrelerce farklı kanat kesitlerinde incelenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise eksenel fanlarda kanat profillerinin taşınması uygulamalarından kaydırma yöntemi, refereans fan modeli rotor kanatlarına uygulanmıştır. Rotor kanadı profilleri, kanat kesidinin veter uzunluğu doğrultusunda öne ve arkaya doğru 30°'lik açıda kaydırılarak iki farklı model elde edilmiştir. Kaydırma yöntemiyle hazırlanan fan modelleri ilk olarak karışım yüzeyi modeliyle analiz edilerek performans eğrileri incelenmiştir. Kaydırma uygulanan modeller ile referans fan modelinin debiye göre statik basınç artışları ve verim eğrileri birbirinden farklı sonuçlar ortaya çıkarmıştır. Öne doğru kaydırma uygulanan rotor modeli fanın çalışma aralığını genişletmiş ancak düşük debilere kaydırmıştır. Arkaya doğru kaydırma uygulanan model ise tam tersi fanın çalışma aralığını daraltmış fakat daha yüksek debilerde akış geçirdiği görülmüştür. Verim eğrisi incelendiğinde ise öne doğru kaydırma uygulanan modelin rererans fana göre nispeten daha yüksek değerler verdiği, arkaya doğru kaydırma uygulanan modelin ise daha düşük değerlerde verim sağladığı görülmüştür. Daha sonrasında analizler sonucunda, rotor kanatları üzerinde farklı kesitlerdeki boyutsuz basınç katsayısına göre basınç dağılımları incelendiğinde ise öne doğru kaydırma uygulanan modelin referans modele göre aerodinamik yükü bir miktar azalttığı, arkaya doğru kaydırma uygulanan modelin ise aerodinamik kanat yükünü arttırdığı görülmüştür. Son olarak, kaydırma uygulanan modeller karışım yüzeyi modeli çözümlerine ek olarak en yüksek verim noktalarındaki debiler için duran çark ve zaman dönüşümü modelleriyle da analiz edilerek sonuçlar değerlendirilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri, ANSYS CFX 17.2 üzerinden gerçekleştirilmiştir. Fan katı modelinin geometrisi, ANSYS DesignModeler modülü kullanılarak oluşturulmuş ve ağ yapıları hazırlanmak üzere ANSYS TurboGrid modülüne aktarılmıştır. TurboGrid ile rotor ve stator kademeleri kanatları için çözüm ağları hazırlanmıştır. Hazırlanan çözüm ağlarının, ağdan bağımsız sonuçlar verdiği ve y+ değerlerinin kabul edilebilir düzeyde olduğu değerlendirmesi yapılmasının ardından orta sıklıktaki ağ yapısı üzerinden çalışmalara devam edilmiştir. Hazırlanan çözüm ağları ANSYS CFX programına aktarılarak akış koşulları ve çözüm parametreleri tanıtılmıştır. Akış bölgesi, zaman dönüşümü modeli uygulanmasında gerekli olan aralık (pitch) koşulunun sağlanabilmesi için 5 stator ve giriş hacmi ile birlikte 3 rotor ve çıkış hacmi şeklinde periyodik sınır koşulları uygulanarak modellenmiştir. Daha sonra ön işleyici (CFX-Pre) modül üzerinden akış özellikleri, sınır şartları, akış bölgesi ara yüzeyleri ve çözüm kontrol parametreleri tanımlanmıştır. Analizlerde SST k-w türbülans modeli tercih edilmiştir. Hesaplamalar, çözücü (CFX-Solver) modülü üzerinden yapılarak son işleyici (CFD-Post) modülü ile analiz sonuçları görüntülenmiştir. Bu çalışma ile hem dönen ve dönmeyen hacimlerden oluşan eksenel fanlar arasındaki arayüzler için tanımlanan rotor stator etkileşim yüzeyi modellerinin hem de literatürde farklı değerlendirmeler yapılan kanat profillerine kaydırma uygulamasının fan performansına etkileri incelenmiştir. Çalışma sonucunda iki konuda da literatüre katkıda bulunacak sonuçlar elde edilmiş ve değerlendirmelerde bulunulmuştur.
Kanal içerisinde rüzgar türbini tasarımı ve had analizi ile kanal profilinin türbin performansına etkilerinin incelenmesi
Literatürde, rüzgar türbini tasarımına ve rüzgar türbinlerinden elde edilebilecek enerjinin arttırılmasına yönelik birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmaları çoğunlukla tasarıma yönelik olup, kanat geometrilerinin rüzgardan daha fazla enerji çekebilmesini sağlamaya yöneliktir. Bununla birlikte yakın geçmişten günümüze kadar rüzgar türbinin performansını arttırılmasına yönelik daha yenilikçi çalışmalarda mevcuttur. Bu tez çalışmasında da bu amaca yönelik olarak çalışmalar yürütülmüştür. Bu bağlamda küçük rotor çapına sahip bir rüzgar türbini tasarlanması ve tasarlanan rüzgar türbini modelinin kanal içerisine yerleştirilmek yoluyla performansının arttırılması amacıyla incelemeler yürütülmüştür. Bu amaçla ilk olarak kanat geometrisi, belirlenen tasarım koşullarına uygun olarak optimal tasarım parametreleri için kanat elemanı teorisi ve momentum disk teorisinden yararlanılarak elde edilmiştir. Kanat tasarımının elde edilmesinde QBlade yazılımından yararlanılmış ve bu yazılım yardımıyla kaldırma hattı teorisi kullanılarak iki boyutlu analizler ile rüzgar türbini performansına yönelik ilk öngörüler elde edilmiştir. Tasarımı gerçekleştirilen kanat geometrisinin CATIA programı yardımıyla üç boyutlu modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen rotor geometrisi için ANSYS 16.0 analiz programının ICEM modülü kullanılarak ağ yapısı modellenmiş ve ANSYS FLUENT modülü kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler serbest akış rejimi için sabit hacim ve rotor çevresinde dönel akışkan hacmi olarak modellenerek gerçekleştirilmiştir. Ayrıca analizlerin gerçekleştirileceği akış hacimleri periyodik analiz yapısına uygun olarak oluşturulmuş olup, üç kanatlı olarak tasarlanan rüzgar türbininin bir kanadını içerisine alacak şekilde düzenlenmiştir. Türbülans modeli olarak k-omega STT modülü seçilmiş ve sabit rotor çevresinde dönel akış hacmi oluşturulması metodu kullanılarak sonuçlar elde edilmiştir. Bununla beraber kanat geometrisinin etrafında daha doğru sonuçlar elde edilebilmesi adına ayrı bir dönel akış hacmi tanımlanmış ve bu hacim için O-örgü formunda yapısal ağ modellemesi kullanılmıştır. Rüzgar türbininin performans karakteristiğini gösteren rüzgar hızına bağlı değişen güç üretimi eğrisi ve kanat uç hızına bağlı değişen güç katsayısı verilerine ulaşılmıştır. Elde edilen sonuç verileri ile tasarım aşamasında ilk öngörülerin elde edildiği QBlade iki boyutlu analizlerinin birbirine benzer eğilimde olduğu görülmüştür. Rüzgar türbini performansını karakterize eden güç katsayısı eğrisinin literatürde ki çalışmalarda ulaşılan sonuçlara bakıldığında tutarlı olduğu görülmüştür. İlerleyen aşamada tezin de esas konusu olan ve ulaşılan rüzgar türbini performansının arttırılması yönelik kanal içerisinde rüzgar türbini tasarımının elde edilmesine geçilmiştir. Bu doğrultuda tasarım kanal profilinin belirlenmesinde 6 nokta kontrollü Bezier eğrileri teorisi kullanılmış ve bu teorinin düzenlendiği MATLAB kodu yardımıyla kapalı kanal profilleri oluşturulmuştur. Kanal profillerinin elde edildiği MATLAB kodunun içeresine gömülü olarak eklenen DFDC yazılımı ile oluşturulan rasgele kanal profillerinin 2 boyutlu HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. MATLAB programından optimizasyon modülü kullanılarak genetik algoritma çoklu hedef optimizasyonu analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada rüzgar türbini rotor tasarımının elde edilmesinde de belirlenen tasarım parametreleri ve kanat profillerinin aerodinamik özellikleri de analiz girdileri olarak uygulanmış ve optimizasyon hedef parametreleri olarak maksimum güç ile minimum itki getirileri belirlenerek, pareto çözüm setleri elde edilmiştir. Çözüm setlerine, GAO parametrelerinde farklı yaklaşım metotları için, sorunsuz şekilde analizlerin ilerleyebilmesi adına belirlenen kontrol noktalarının sınırları içerisinde profiller elde edilerek ulaşılmıştır. Kanal geometrisi ve kanal içerisinde rüzgar türbini tasarım parametrelerinin ayrıntılı olarak incelenebilmesi adına, çözüm seti içerisinden kanal profilleri seçilmiştir. Seçilen kanal profillerinin rüzgar türbini performansına etkileri belirlenen tasarım parametrelerine yönelik hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri gerçekleştirilerek elde edilmiştir. Bu doğrultuda kanal ile kanatlar arasındaki boşluk oranı, kanal içeresinde rotorun yerleştirildiği pozisyon, kanal giriş ve çıkış akış alanları arasındaki oran ve kısmi kanal modelinin kullanılması gibi farklı tasarımlar için analiz sonuçları elde edilmiş ve ulaşılan veriler karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. İncelenen tasarımlardan pareto çözüm seti içerisinde farklı bölgelerden seçilen iki profil için ulaşılan HAD analizi sonuçlarıyla, pareto çözüm setinin elde edilmesinde kullanılan DFDC yazılından elde edilen iki boyutlu analiz sonuçlarının birbirine yakın olduğu söylenebilir. Bununla birlikte incelenen tasarım parametrelerinin sonuç verilere olduğu kadar kanal ve kanat çevresindeki akışa da etki ettikleri ve bu etkiye bağlı olarak rüzgar türbini performansının da değiştiği sonuçlardan görülmektedir.
Karbon kompozitlerin cıvatalı ve yapıştırmalı bağlantılarında hasar analizi
İnsanoğlu, eski çağlardan bu yana ihtiyaçları doğrultusunda, iki farklı yapıdaki malzeme özelliklerini bir arada kullanmak için çalışmıştır. Bu çalışmaların en somut örneğini günümüzde kompozit malzemeler olarak görmekteyiz. Kompozit malzemelerin getirdiği hafiflik, tasarım esnekliği gibi avantajlarından dolayı kullanımı da günden güne artmaktadır. Kullanım alanlarının da genişlemesiyle birlikte kompozit malzemelerin birbirleriyle ve metallerle olan bağlantılarının yük altındaki davranışlarının incelenmesi ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Son 50 yılda yapılan çalışmalar da bu konudaki bilgi birikimini artırmıştır. Kompozitlerin birleştirilmesinde temel olarak iki farklı yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan ilki olan mekanik bağlantılar cıvata, perçin ve pimlerle gerçekleştirilirler. Literatürde farklı olarak kelebek tipi kamalarla yapılan mekanik bağlantılar olsa da bu çalışmalar henüz ticari bir üründe kullanılacak sonuçları vermemektedirler. Cıvatalı ve perçinli bağlantılar ise kabul görmüş ve günümüzde en sık tercih edilen bağlantı türleridir. Bunun sebebi birleştirme işleminin kolayca ve uzmanlık gerçekleştirmeden yapılabilmesi, kullanılan malzemelerin kolay ve ucuza temin edilebilmesi ve ortam şartlarına karşı daha toleranslı olmalarıdır. Fakat buna karşın bağlantının yapılabilmesi için açılması gereken deliklerin getirdiği ekstra işlem maliyeti, bağlantı elemanlarının ağırlıklarının sisteme ek ağırlık getirmeleri mekanik bağlantıların dezavantajları arasında gösterilebilir. Yapıştırmalı bağlantılar da ise mekanik bağlantıların aksine, parça üzerinde ekstra bir işlem yapılmaması, farklı mekanik özellikler için farklı yapıştırıcıların geliştirilmiş olması, yapıştırıcıların getirdiği en önemli avantajlardandır. Bu özelliklerinden dolayı yapıştırıcılar, iyi bir alternatif olarak değerlendirilebilir. Kompozitler hafif yapılarından dolayı daha çok alüminyum ve titanyum gibi metaller ile birlikte kullanılırlar. Kompozitlerin metallerle olan bağlantılarında bağlantı dayanımı, mukavemeti en düşük malzemenin dayanımı ile sınırlanmaktadır. Bu bazen yapıştırıcı veya bağlantı elemanı, bazen kompozit bazen de metal olmaktadır. Literatür araştırması yapıldığında, bağlantı dayanımlarını hesaplayabilmek için birçok analitik model kullanıldığı görülmektedir. Mekanik bağlantıların dayanım hesabı görece olarak kolay iken yapıştırmalı bağlantılarda dayanım hesabı daha karmaşık ve zordur. Bir de üstüne kompozit malzemenin düzensizliği ve karmaşıklığı eklendiğinde hesaplama iyice zorlaşmaktadır. Bundan dolayı bu tip problemlerin çözümünde daha çok nümerik çözüm yöntemleri kullanılmaktadır. Malzemelerin elastik bölgeden sonra, plastik davranışlarını da incelemek için birçok hasar modeli ortaya atılmıştır. Yapıştırıcılar için Von Mises, Mohr - Coulomb, Drucker – Prager gibi hasar modelleri geliştirilmişken, kompozitler için Tsai-Wu, Hashin, Rotem gibi hasar kriterleri geliştirilmiştir. Bu teorik çalışmalara rağmen kompozitlerde ve yapıştırıcılarda halen en güvenli dayanım ölçme metodu test ve deneylerdir. Bu tez çalışmasında mekanik ve yapıştırıcılı bağlantıların bağlantı dayanımları deneysel ve nümerik yollarla hesaplanmış ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Yapıştırmalı bağlantılar tasarlanırken iki farklı karakteristiğe sahip yapıştırıcı kullanılmış bu sayede farklı yapıştırıcıların modellenmesi amaçlanmıştır. Bağlantı şekli olarak çift yönden bindirmeli bağlantı tercih edilmiştir. Literatüre bakıldığında xxiv da kompozit yapıştırma çalışmalarında genel olarak çift yönden veya tek yönden bindirmeli bağlantıların tercih edildiği görülmektedir. Numunelerin üretimi için 90˚ düz dokuma 200 gsm karbon fiber kumaş kullanılmıştır. Karbon fiber kumaşlar uygun ölçülerde kesildikten sonra epoksi bazlı genel maksat reçinesi kullanılarak karbon fiber plaka üretimi gerçekleştirilmiştir. Gerekli kalınlığa ulaşmak için 11 kat elyaf kullanılmıştır. El yatırması yöntemiyle gerçekleştirilen üretim sonucunda elde edilen plakalar ASTM D 3528 standardına uygun ölçülerde kesilmiştir. Bağlantının diğer bir bileşeni olan metal ise kompozitlerle birlikte sıklıkla kullanıldığından dolayı alüminyum olarak seçilmiştir. 6063 T5 kodlu alüminyum malzemeler yine standartlara uygun ölçülerde kesilmiş cıvata ile bağlanacak parçalara cıvata deliği açılmıştır. Malzemelerin cıvata ile birleştirilmelerinde A-2 kalite paslanmaz çelikten imal edilmiş, M4 cıvatalar kullanılmıştır. Cıvataların basma yüzeylerine pul konulmuş ve M4 somun ile birleştirilmiştir. Cıvatalar sadece bağlantıyı tutacak şekilde sıkılmış, fazladan bir tork uygulanmamıştır. Yapıştırıcılı bağlantılar içinse yapısal yapıştırmalarda kullanılan Araldite 2011 ve Hysol 3450 yapıştırıcıları tercih edilmiştir. Kompozit ve alüminyum parçaların yapıştırma yüzeyleri hazırlandıktan sonra laboratuvar koşullarında malzemeler birbirlerine yapıştırılmıştır. 24 saat beklenerek numunelerin tam olarak kürleşmesi sağlanmıştır. Üç farklı durum için toplamda dokuz farklı numune hazırlanmıştır. Daha sonra numunelerin, laboratuvar ortamında 1,27 mm/dk hızında çekme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneylerin bilgisayar ortamında simule edilebilmesi için öncelikle, numunelerin üç boyutlu katı modelleri SolidWorks 2017 programında oluşturulmuştur. Katı modellere göre sonlu elemanların oluşturulabilmesi için ticari FEA programları olan HyperMesh 13.0 ve HyperCrash 13.0 programları kullanılmıştır. Kullanılan programdan bağımsız olarak, malzemelerin hasar durumlarını gözlemleyebilmek ve mümkün olduğunca doğru sonuçlar elde edebilmek için modellemenin doğru yapılması büyük önem taşımaktadır. Bu şartları sağlamak ve olası delaminasyon durumunda delaminasyon etkisinin gözleyebilmek için bütün kompozit katlar, katlar arası reçine tabakaları, yapıştırıcılar ve cıvatalar üç boyutlu hex elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Üreticilerden ve benzer çalışmalardan elde edilen malzeme özellikleri programa girildikten sonra bütün malzemeler için hasar kriterleri tanımlanmıştır. Uygulanan hasar kriterleri güncel çalışmalar incelenerek seçilmiştir. Belirlenen bu hasar kriterleri doğrultusunda, elemanlar belli bir değere ulaştığında hasar uğramakta ve bir süre sonrada yük taşıma görevlerini yerine getirememektedirler. Oluşturulan modellerin çözdürülmesinde Radioss 13.0, sonuçların değerlendirilmesinde de HyperView 13.0 programları kullanılmıştır. Çıkan sonuçlar birbirleriyle ve deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Daha önce yapılan çalışmalar incelendiğinde, bağlantı dayanımlarının, maksimum çekme kuvvetinin bindirme alanına bölünmesiyle elde edilen bağlantı dayanımı değeriyle mukayese edildiği görülmüştür. Bu çalışmada da, çalışmada bahsedilen durumlar bağlantı dayanımlarına ve bağlantının taşıyabildiği gerilim değerine göre karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak; cıvatalı bağlantılar ve yapıştırmalı bağlantılar deneysel ve nümerik olarak dayanımlarına göre kıyaslanmıştır. Deney sonuçları göstermiştir ki yapıştırmalı bağlantılarda bağlantı dayanımı ve kopma uzaması, numuneden numuneye çok çeşitlilik göstermektedir. Buna karşın cıvatalı bağlantılarda bu değerler daha kararlıdır. Yapıştırıcıların sonlu elemanlarla modellenmesinde, farklı karakterleri yapıştırıcıların tek bir hasar kriteriyle modellenmelerine engel olmaktadır. Sünek yapıştırıcı enerji kriterine göre daha doğru sonuçlar verirken gevrek olan yapıştırıcı şekil değiştirme xxv kriterine göre daha doğru sonuçlar vermektedir. Nispeten daha sünek ve daha mukavemetli bir yapıştırıcı olan Araldite 2011 ile yapıştırılan numuneler neredeyse cıvatalı numuneler kadar dayanım göstermişlerdir. Buna karşın Hysol 3450 ile yapıştırılan numuneler aynı başarıyı gösterememişlerdir. İki yapıştırıcıda da hasar başlangıcından sonra hasar ilerlemesinin çok yüksek hızda olduğu saptanmıştır. Bu durum da bağlantının ani kopmasına neden olmakta ve sistem bütünlüğünü tehlikeye atmaktadır. Bağlantılardaki gerilme dağılımları incelendiğinde ise yapıştırmalı bağlantılarda düzenli bir gerilme dağılımı olduğu, cıvatalı bağlantılarda ise cıvatadan dolayı çentik etkisi ve gerilme yığılmaları olduğu gözlemlenmiştir. Tüm bu sonuçlar göstermiştir ki yapıştırmalı bağlantılar, uygun yapıştırıcı seçiminde en az cıvatalı bağlantılar kadar dayanım göstermektedirler. Birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları olsa da iki bağlantı türü de kompozit sistemlerde kullanılmaya devam edecektir. Fakat yapıştırıcıların ani kopma davranışları, imalat süreçlerinin ve bağlantı dayanımlarının ortam şartlarına karşı çok hassas olmaları, yapıştırmalı bağlantıların kullanım alanlarını kısıtlamaya devam edecektir.
Analysis of 5 KW ORC system operating with R245FA and plate type evaporator and condenser
In today's world, the major part of the electrical energy is produced by consumption of hydrocarbon fuels in combined power plants. The thermal efficiency of these plants is higher, because of high source temperature that is occurred by burning of hydrocarbon fuels. Utilization of natural sources like solar and geothermal energies and industrial waste heat (flue gases, exhaust gases, etc.) had not been economically efficient because of their low temperature. However, through previous years by using hydrocarbon-based fluids instead of water, efforts are in progress on the utilization of a steam power system called ORC, which utilizes low-grade heat sources. Especially ORC systems are established for utilization of geothermal sources. In this study, a 5 kW ORC heat engine is modeled. Evaporator and condenser of the engine are chosen as plate type heat exchanger (HEX). The working fluid is selected as R245fa. This ORC system consists of evaporator, condenser, expander and the pump; in addition to these components, the expansion valve is added which is basically used in times of start-up and for adjusting the power output of the system. In this work, the heat source is specified as pressurized water of 125 C temperature based on Turkey's geothermal resources. Heat sink, however, is specified 25 C based on the climate of the country. Flow and heat transfer formulations are made for all of the units and coded in Mathcad program to parametrically perform thermal calculations. Working fluid is considered as compressed liquid at inlet, and superheated vapor at outlet in the formulation of the evaporator. Since the evaporator is considered as a single pass plate heat exchanger (PHE), starting points of boiling and superheating in the plate channels are calculated in analyzing of the evaporator. Suitable friction factor and Nusselt correlations are chosen for single and two-phase regions in the evaporator and condenser. Evaporation temperature of 75.2 C and condensation temperature of 40 C values are selected as design conditions for our system. Pump and expander efficiencies are set as 35.6% and 75% , respectively. Evaporator and condenser capacities are calculated as 80.10 kW, and 75.10 kW, respectively. The thermal efficiency of the ORC cycle is obtained as 6.242% while pump and expander powers are 0.3 kW and 5.3 kW. On the other hand, the final condenser power is calculated as 80.40 kW when the working fluid passes completely through the expansion valve. For two different chevron angles of 45 and 60 degrees, heat transfer coefficients (HTC) and pressure losses are compared with each other. Plates with 60-degree chevron angles have higher HTC and higher pressure loss then 45-degree chevron angle. Pressure loss in HEXs decreases cyle thermal effıciency by 0.444% for chevron angle of 45 degrees and 0.561% for chevron angle of 60 degrees. Evaporator and condenser calculations performed by taking into account the plate number and dimensions. Required hot water mass flow rate with 125 C temperature is 0.901 kg/s in evaporator. For condenser, however, required cold water mass flow rate with 25 C temperature is accuired as 2.55 kg/s and required cold water mass flow rate when fluid passes expansion valve is obtained as 2.62 kg/s. In design conditions, HEX efficiencies are obtained as 0.53 for preheat region, 0.3 for evaporator region, and 0.98 for superheat region. In case of the condenser, for desuperheater region efficiency is obtained as 0.85 and for condenser obtained as 0.6. Regarding the effect of cold water temperature change on condenser, results indicate that cold water temperature varies between 21-28 C. Fully condensed fluid at condenser outlet can be maintained by adjusting the mass flow rate of cold water in this range of temperature. However, extra condenser is required for water temperatures over 28 C, because of excessive required water mass flow rate to have fully condensed fluid at the condenser outlet. Increase in pump and expander isentropic efficiencies can positively affect cycle thermal efficiency. Increasing of evaporation temperature and decreasing of condensation temperature can also improve thermal efficiency. Overall area of HEXs for the same output power is decreasing by increasing of evaporation temperature until 95 C.
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.
Cevap yüzeyi metodu ile ticari araç koltuğu sonlu elemanlar modelinin güncellenmesi
Koltuk üzerindeki titreşimin insan konforu ve sağlığında etkileri yüksek olduğundan, üretilen araçlarda koltuk konforu oldukça önemsenmektedir. Koltuk konforundaki önemli etki alanlarından biri koltuğun rezonans frekansı olmakta olup, koltuk rezonans frekansının belli bir değerin üzerinde olması talep edilmektedir. Bu talep edilen değer koltuğun yapısını da oldukça etkilemektedir. Araç üretilirken bütün tasarımlar bir öngörü şekilde hazırlanıp daha sonra bunlar fiziki parçalar haline getirilmektedir. Burada proje halinde olan koltuk tasarımı fiziki parça haline getirilmeden sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılan koltuk tasarım analizleri oldukça önem arz etmektedir. Yapılan analizlerin daha sonra fiziki parça haline getirilen koltuklar üzerinde yapılan testlere yakın sonuçlar vermesi projenin ilerlemesi ve güvenilir sonuçlar vermesi açısından oldukça önemlidir. Çünkü projelerin başlangıç aşamalarında koltuğun prototipini üretip deneysel çalışmayla ilgili özelliklerin belirlenmesi vakit alan, zahmetli ve maliyetli bir yöntemdir. Sonlu elemanlar yönteminin bu avantajına karşın gerçek yapıyla birebir uyuşmaması gibi dezavantajı da vardır. Dolayısıyla sonlu elemanlar modelinin doğrulanması, yani modeli güncellenmesi gerekmektedir. Bu işlemin esası model korelasyon tekniklerini uygulayarak sonlu elemanlar modeli çıktılarını ve deneysel verileri örtüştürmektir. Bunun için modeldeki komponentlerin malzeme özellikleri, boyutları, bağlantı noktalarındaki rijitlikleri parametrik olarak değiştirilip deneysel veri ile analiz sonuçları uyumlu hale getirilmeye çalışılır. Bu projede örnek olarak alınan bir ticari araç koltuğu öncelikle CAD ortamında modellenip daha sonra Hypermesh programı ile sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Hypermesh ortamında oluşturulan koltuk modelinin Optistruct programıyla modal analizi yapılmıştır. Ayrıca üretilen fiziki koltukta çekiçle kuvvet uygulanarak ivmeölçerle de ölçüm alınarak deneysel modal analiz yapılmıştır. Koltuk üzerinde yapılan bu ölçümler, koltuktaki katmanların 1. mod frekansına etkilerini incelemek açısından farklı seviyelerde test edilmiştir. Bu katman seviyeleri: 1.Koltuğun sadece iskelet halindeki yapısı, 2. İskelete sırt tahtasının eklenmesiyle oluşan yapı, 3. İskelet ve sırt tahtasına sünger ilave edilerek oluşmuş yapı, 4. Koltuğun komple hali. Buradaki katmanların ayrı ayrı deneysel olarak modal ölçümü yapılmıştır. Sonrasında sonlu elemanlar modelinde koltuğun komple halinin modal ölçümü yapılıp koltuğu etkileyecek parametreler belirlenmiştir. Bu parametreler belirlendikten sonra bu parametreler için bir aralık belirlenip bu aralıkta parametreler için merkezi karma tasarım yöntemiyle bir deney seti elde edilmiştir. Bu elde edilen deney seti için sonlu elemanlar analiz programıyla her bir veri için Optistruct programıyla analiz yapılmış ve Hypergraph programında bu sonuçlar incelenmiştir. Sonrasında analiz sonuçları ile deneysel ölçümler karşılaştırılmıştır. Merkezi karma tasarım ile elde edilen veri seti için analiz programında elde edilen sonuçlarla bir cevap yüzeyi oluşturulmuştur. Koltuk sonlu elemanlar modeli ve deneysel sonuçların güncellenmesi için uygulanan yöntem cevap yüzeyi metodudur ve sonlu elemanlar yönteminde seçilen parametreler üzerinden bir aralık belirlenerek bu aralıkta merkezi karma tasarım yöntemiyle deney uzayı oluşturulmuştur. Bu sonuçlar ile deneyde elde edilen sonuçlar kıyaslanarak en uygun veri seti belirlenmiştir. Cevap yüzeyi metoduyla uydurulan yüzeyle parametreler için daha uygun değerler belirlenmiş ve bu değerler sonlu elemanlar modeline yansıtılmıştır.
Origami tabanlı eklem tasarımı ve tasarımın nümerik ve deneysel analizi
Robotik teknolojisi, elektronik ve mekaniğin ortak paydada buluşması ile ortaya çıkmış, üstün özellikli ve yüksek performanslı ürünler tasarlanmasına imkân sağlayan bir çalışma alanıdır. Bu sebeple hobi amaçlı yapılan tasarım projelerinden endüstriyel amaçlı kullanılan makinalara kadar değişen boyutlardaki çeşitli projelerin temel ögesi olmuştur. Üretim teknolojileri her geçen gün tasarımcıların ihtiyaçlarına ve tasarımlarının gereksinimlerine göre şekillenmekte ve gelişmektedir. Bazı sistemlerin yapıları geleneksel üretim yöntemleri ile üretilmeye uygun değildir; kullanılan malzemeler geleneksel üretim yöntemleri ile şekil verilemeyecek yapıdadırlar veya daha pratik ve hızlı bir üretim yöntemine ihtiyaç vardır. Sahada bu tip problemlere çözüm getirecek bir üretim yöntemine ihtiyaç duyulmuştur. Günümüzde gelişmekte olan yumuşak tabanlı robotik yenilikçi ve farklı üretim teknikleri ve robotik yapıları kullanan bir çalışma alanıdır. Adından da anlaşılacağı gibi yumuşak esnek malzemeler kullanılarak üretilen yapılar özellikle canlıların hareket kabiliyetini taklit etmek için tasarlanan projelerde sıklıkla tercih edilmektedir. Silikon ve benzeri yumuşak malzemeler ile üretilmiş pek çok doğadan esinlenerek tasarlanmış robotik çalışma olduğu gibi, endüstride farklı boyutlardaki nesneleri zarar vermeden hassas bir şekilde taşımak için kullanılan tutucu uçlarda da yumuşak tabanlı robotik tercih edilmektedir. Kullanılan malzemelerin yumuşak ve esnek olması aynı zamanda yoğunluğu da düşürdüğü için yumuşak robotik ile hafif ve en iyi hareket kabiliyetinde yapılar üretilebilir. Yüksek hareket kabiliyeti yumuşak tabanlı robotik kollarda oldukça faydalı bir özelliktir. Yumuşak robotik ile üretilen kollar engellerden kaçma veya hedef konumuna en az hata ile ulaşma konusunda sert malzemeler ile üretilmiş robotik kollara göre daha iyi bir iş çıkarırlar. Bu nedenle yumuşak robotik esnekliğin ve boyut değişkenliğinin önemli olduğu hafif ve maksimum hareket kabiliyeti gerektiren yapılarda tercih edilen bir uygulamadır. Ancak yumuşak robotları kontrol etmek sert yapıları kontrol etmekten daha zordur çünkü hareket konusunda herhangi bir limitleri bulunmamaktadır. Yumuşak tabanlı robotiğin bir alt dalı olan origami tabanlı robotik ise hızlı üretim konusunda gelişmiş bir uygulama alanıdır. Origami tabanlı robotik Japonların yüzlerce yıllık kâğıt katlama sanatından esinlenilerek oluşturulmuş bir üretim tekniği ve çalışma alanıdır. Yumuşak robotikte olduğu gibi esnek ve katlanabilir malzemeler kullanılmaktadır. Tıpkı kâğıt katlama sanatında olduğu gibi 2 boyutlu ince malzemelerin doğru katlama şeması kullanılarak arzu edilen 3 boyutlu şekli alması prensibine dayanır. Tasarımcı projesinde kullanacağı 3 boyutlu modelin 2 boyutlu katlama şemasını çıkarır ve kolayca katlayarak malzemeye şekil verir. Üretim ve tasarım 2 boyutta yapıldığı için hızlı ve pratik sonuçlar elde edilebilir. Yeni bir çalışma alanı olmasına rağmen günümüzde pekçok origami tabanlı robotik uygulaması yapılmıştır. Origami tabanlı robotik daha çok küçük boyutlu modüler araçların gövdesinde veya hareket elemanlarında tercih edilmektedir. Ayrıca "pop-up" mekanizmalarda yani kendi kendine montaj olan yapılarda da origami tabanlı robotik uygulamalarına rastlanmaktadır. Küçük boyutlu projelerin dışında devasa güneş panellerinin uzaya gönderilirken yerden kazanç sağlanması adına katlanması sırasında da origami tabanlı robotikten faydalanılmaktadır. Origami tabanlı robotik tasarımında, en hızlı ve pratik şekilde, minimum ve en temel ve ulaşılabilir malzemeler kullanarak, esnek ve hafif yapılar üretmek kullanıcıların temel hedefidir. Ancak origami tabanlı robotik ağır yükler kaldırabilen bir yapı olmadığı için endüstriyel uygulamalarda kullanım için önerilmemektedir. Bu çalışmada özellikle origami tabanlı eklemler üzerinde durulmuştur. Eklem tasarımında origami tabanlı robotiğin getirdiği hızlı ve pratik üretim pek çok fayda sağlamaktadır. Sert robotik kollar tasarımı zor ve üretimi maliyetli yapılardır. Bu nedenle genellikle çok amaçlı kullanımlar için uygun olan kollar ya da çok eksenli yapılar tercih edilmektedir. Bu sayede yeni robotik kol alımından kurtulunarak zaman ve para kazancı sağlanmaktadır. Ancak her şeye rağmen bu tip kollar maliyetlidir ve sık sık bakıma ihtiyaç duymaktadırlar. Ufak çaplı uygulamalarda sert robotik kollar tercih edilen bir çözüm yöntemi değildir. Öte yandan origami tabanlı eklemlerin bir kez tasarlanması ve 2 boyutlu şemalarının çıkarılması yeterlidir. Arzu edildiği takdirde yepyeni bir tasarım yapmak ve üretmek kolaydır. Bakıma ihtiyaçları yoktur çünkü hızlı bir şekilde yerine yenisini yapmak ne maliyet ne de zaman kaybına sebep olur. Bu özellikleri nedeniyle origami tabanlı eklem üretimi başarılı bir üretim tekniğidir. Literatürde bulunan origami tabanlı eklemler incelenmiş ve hareketlerine göre iki gruba ayrılmıştır. Bunlar dönme ve eğilme eklemleridir. Kategorize edilen eklem modelleri yük taşıma kapasitesi, hareket kabiliyeti ve üretim kolaylığı gibi performanslar açısından değerlendirilmiş ve derecelendirilmiştir. Yapılan karşılaştırmalı analiz sayesinde bu çalışma origami tabanlı eklemler için bir yol haritası görevi de görmektedir. İncelemeler sonucunda dönme eklemlerinin başarılı bir şekilde yük taşıyabildiği ve 360 derecelere kadar hareket kabiliyetine sahip olduğu tespit edilmiştir. Ancak eğilme eklemlerine bakıldığında gereksinimleri tam anlamıyla karşılayabilen bir model olmadığı görülmüştür. Literatürde bulunan eğilme eklemlerinin aşırı esnek olduğu ve bu nedenle yük taşıma kapasitelerinin zayıf olduğu görülmüştür. Eklemin fazla esnek olması yüksek hareket çıkışı verse de yay katsayısı ölçülemeyecek kadar düşük olduğu için en ufak bir kuvvet karşısında eğilmektedir. Origami tabanlı eğilme eklemlerinin yay katsayısının sıfır yakın olması nedeniyle geçmişte yapılmış hiçbir dinamik yaklaşım bulunamamıştır. Bu çalışmanın esas amacı origami tabanlı eğilme eklemlerini incelemek ve geliştirilmiş daha yüksek yay katsayılı kullanışlı bir model tasarlamaktır. Çalışmada var olan bir eğilme eklemi modeli alınıp geliştirilmiştir. Geliştirilecek modelin seçiminde en iyi hareket kabiliyetini sağlayan model tercih edilmiştir. Tasarıma origami tabanlı olmayan esnek eklemlerin hareketleri incelenerek başlanmıştır. Esnek eklemler incelendiğinde temelde hareketin eklemin iki gövdesi arasında bulunan yay elemanları ile sağlandığı ve eklemin yay katsayısının da bu yayların eşdeğer yay katsayısına eşit olduğu görülmüştür. Buradan yola çıkarak origami tabanlı eğilme eklemi paralel bağlı iki adet yaydan oluşan bir modele indirgenmiştir. Yayların paralel bağlı olması eklemin eşdeğer yay katsayısının her bir yayın yay katsayısının toplamına eşit olması anlamına gelmektedir. Geliştirilmiş eklem de bu hipotezden yola çıkılarak oluşturulmuştur. Diğer bir deyişle, paralel bağlı yay adedini arttırarak daha yüksek yay katsayılı ve daha destekli bir eklem elde edilmiş oldu. Geliştirilmiş eklemin eski ekleme göre daha iyi yay katsayısına sahip olduğu ilk etapta pratik deneyler ile gösterilmiştir. Ard arda eklenmiş 2 eklemli bir eğilme sisteminde yüksüz halde eski eklem kendini bile taşıyamazken, geliştirilmiş eklemin böyle bir problem olmadığı görülmüştür. Origami tabanlı eklemler temelde hareket kabiliyetine dayanarak modellenmektedir. 2 Boyutlu şemanın ölçüleri kullanıcının belirlediği hareket kabiliyetine dayanarak şekillenir. Çalışma kapsamında sadece paralel yerleştirilmiş eğilme eklemlerinin kullanıldığı bir robotik kol için kinematik modelleme gösterilmiş ve genelleştirilmiş formüller çıkarılmıştır. Çıkarılan formüller yardımı ile eklemlerin 2 boyutlu şemaları kolaylıkla elde edilebilmektedir. Origami tabanlı eklemler robotik kollarda kullanıldığında sistemin matematiksel modelinin çıkarılması dinamik davranışın kontrolü için önem arz etmektedir. Bu çalışmada daha önce hiçbir origami tabanlı eklem çalışmasında yapılmayan matematiksel modelin çıkartılması konusunda bir yaklaşım önerilmiştir. Bu yaklaşım sayesinde sistemde kullanılacak motor seçimi kolaylıkla yapılabilmektedir. 3 Boyutlu modelleme ve stres analizinde yine daha önce origami tabanlı eklemlerde hiç uygulanmamış bir analizdir. Sadeleştirilmiş 3 boyutlu modeller yardımı ile geliştirilmiş eklemin eski eklem ile karşılaştırması daha detaylı şekilde incelenmiş, eklemlerde kullanılan malzemelerin ve geliştirilmiş eklemin boyutlarının sistemin yay katsayısına ve stres değerlerine etkisi karşılaştırılmıştır. Analitik çalışmaların yanı sıra gerçeğe en yakın sonuçların elde edilmesi için deneysel olarak da geliştirilmiş eklem ve eski eklem karşılaştırılmıştır. Bu deney aynı zamanda gerçeğe en yakın yay katsayı değerlerini de vermektedir. Karşılaştırmalar geliştirilmiş eklemin hareket kabiliyetinden kayıp vermeden aynı yük altında daha az çöktüğünü göstermiştir. Bu da geliştirilmiş eklemin yay katsayısının arttığının kanıtıdır. Sonuç olarak bu çalışmada origami tabanlı eklemler incelenmiş ve literatürde bulunan eğilme eklemi modellerinden yola çıkılarak daha iyi yük taşıma kapasitesine sahip, yüksek hareket kabiliyetinde, kullanışlı bir eklem geliştirilmiştir. Yeni eklem analitik ve deneysel olarak test edilmiş ve sonuçlar bu tezde raporlanmıştır. Tez, origami tabanlı eklemler için, ilk defa matematiksel model çıkartılması ve 3 boyutlu stres analizinin yapılması yönünden de özgün bir özelliğe sahiptir.
Gemi yapılarının vibro-akustik yaklaşımı ile titreşim ve akustik açısından optimum hale getirilmesi
Deniz taşımacılığında artan talebi karşılamak için ihtiyaç duyulan ticari gemi boyut ve hızlarındaki artış gemide yapısal titreşim problemlerine neden olmaktadır. Bunun yanında, ticari gemilerle yapılan deniz taşımacılığı deniz gürültüsünün büyük oranda artmasına sebep olmaktadır. Gemilerdeki gürültü ve titreşimlerin doğurduğu sonuçlar çeşitlidir. Gemide görev yapan ve/veya seyahat eden personel/yolcular üzerinde olduğu gibi limanda bulunduğu ortama da konforu azaltıcı etki yapmaktadır. Ayrıca, artan gemi trafiği nedeniyle artan sualtı akustik gürültüsü deniz canlı yaşamının ekolojik dengesini bozabilmektedir. Benzer konfor azaltıcı etkiler savaş gemileri için de önemini korumaktadır. Bugün savaş gemisi ve denizaltıların başka gemilerin konumlarını saptaması ve onlara hücum edebilmeleri için güçlü sonar sistemlerine sahip olmaları gerekirken diğer gemiler tarafından fark edilmemek ve kendi sonar sistemlerinin performansını etkilememeleri için de mümkün olduğunca düşük akustik ize sahip olmaları gerekmektedir. Bu sebeple bir savaş gemisinin inşa edilmeden daha tasarım aşamasında sualtı akustik izinin hesaplanabilmesi ve tasarımın bu veriler ışığında düzenlenmesi son derece önem arz etmektedir. Gemilerde titreşim ve gürültü problemlerinin çözüm kaynağının erken safhadaki tasarım aşamasında belirlenmesinin önemi ve sonradan yapılacak olan düzeltmelerin çok ağır maliyetler gerektirdiği bilinmektedir. Hem ticari gemilerin hem de savaş gemilerinin tasarım aşamasında gürültü ve titreşim açısından uyması zorunlu ulusal veya uluslararası standartlar ile ilgili ülkenin Loyd kuralları, bir sistem/ekipmanın minimum gürültü/titreşim sağlayacak şekilde gemi bünyesine entegrasyonuna yönelik detaylı uygulama yöntemleri belirtmesine rağmen, geminin vibro-akustik yapısal konstrüksiyonunun nasıl olması gerektiğine ilişkin çok fazla bilgi vermemektedir. Bu tezde yapılan kapsamlı çalışma ile, bir geminin yapısal konstrüksiyonunun yapısal titreşim ve sualtı akustiğinin azaltımını sağlayacak şekilde iyileştirilmesi/optimum hale getirilmesine yönelik olarak, gemilerin tasarımı aşamasında kullanılabilecek alternatif bir vibro-akustik hesaplama yöntem ve metodoloji yaklaşımı sunulmuştur. Aynı yaklaşımın gemilere benzer şekilde tasarlanan diğer platformlar ile yapısal konstrüksiyonu önem arz eden mekanik sistemlerin titreşim ve gürültü açısından iyileştirilmesi amacıyla kullanılabilmesi de mümkündür. Tez çalışmasına vibro-akustik hesaplama yöntem ve teorilerinin irdelenmesi ile başlanacaktır. Takip eden bölümde, gemi konstrüksiyonunu temsilen seçilen bir araştırma gemi yapısı, gürültü/titreşim kaynak yükleri ile modellenerek tüm frekans bandında gemiye ait yapısal titreşim ve sualtı akustik gürültü değerlerinin İstatiksel Enerji Analizi (SEA) ve Sonlu Elemanlar Metodu (SEM) yöntemi ile (test/ölçüm değerleri ile doğrulanmış olarak) tespit edilmesi sağlanacaktır. Ardından, sualtı akustik izin azaltılması maksadıyla literatürde yapısal titreşim iletim yollarının belirlenmesi için yeni kullanım alanı bulan graf teorisi gemi yapılarına bu anlamda ilk defa uygulanacaktır. Bu amaçla, sualtı akustik gürültünün azaltılmasına yönelik olarak optimum gemi yapısının tespit edilmesi için, dominant transfer iletim yolları (SEA graf yaklaşımı ile) graf teorisi metodu (MPS algoritması) referans çalışmalar baz alınarak yeniden geliştirilecektir. Son olarak, sualtı akustik izin azaltılmasını sağlayacak ve mukavim tekne özelliklerini de kaybetmeyecek optimum (pasif kontrol) yapısal konstrüksiyon belirlenecektir. Bu maksatla, graf teorisi MPS algoritması ile tespit edilen dominant enerji transfer iletim hatları üzerinde belirlenen yapısal konstrüksiyon elemanlarını kullanacak şekilde bir parametrik yaklaşım geliştirilerek, optimum akustik gemi yapısı tasarım çözümleri belirlenecektir. Bu yapı çözümleri, tez kapsamında daha önceden oluşturulmuş olan global gemi SEM ve SEA modellerine uygulanarak optimum akustik yapısal konstrüksiyonun sualtı akustik gürültüde azalım sağladığı gösterilecektir.
Bir kurutma makinesi prosesinin deneysel olarak incelenerek kurutma performansının analiz edilmesi
Çamaşır kurutma makinalarında enerji tüketimi ve kurutma süresi gibi kullanıcıyı etkileyen parametreler önemlidir. Çamaşır kurutma makinası üzerinde deneysel, teorik ve modelleme çalışmaları yaygın olarak yapılmaktadır. Bu tezde, çamaşır kurutma makinasındaki kurutma işleminin deneysel olarak incelemesi amacıyla bir deney tesisatı kurulmuştur. Tesisat çamaşır kurutma makinasının tamburu, elektrikli ısıtıcı, yoğuşturucu batarya, sirkülasyonu fanı ve filtre içeren kapalı bir hava çevriminden oluşmaktadır. Isıtıcı gücü, hava debisi, sıcaklıklar, basınç farkı, yoğuşan su kütlesi, nem oranları vb. ölçümler yapılarak yük miktarına bağlı olarak kurutma süreleri deneysel olarak incelenmiştir. Ayrıca yoğuturucu ünitesi için kütle ve enerji dengesi matematik olarak yazılmış ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Deneylerde standart ebattaki etamin dokulu pamuklu yük kullanılmıştır. Tambur eksenine paralel olarak konulan kuru yükler 2 kg, 4 kg ve 6 kg olarak değiştirilmiş ve hepsinde su miktarı kütlesel olarak %60 oranında sabit tutulmuştur. Aynı ısıtma gücü, fan devir sayısı, tambur devri, yoğuşturucu soğuk su debisi ve giriş sıcaklığı için zamana bağlı olarak anlık yoğuşan su miktarı ölçülmüştür. Yük miktarı arttıkça kurutma süreleride artmaktadır. 2 kg, 4 kg ve 6 kg yükler sırasıyla 75, 111, 147 dakikada kurumaktadır. Kurutma sonunda, başlangıçtaki %60'lık suyun tamamının buharlaştırıldığı görülmüştür. Kurutma süresi için, ısıtıcıda harcanan toplam enerjiye göre her yük için enerji tüketimleri belirlenmiştir. Birim kuru yük başına harcanan kurutma enerjisinin ve kurutma süresinin azaldığı gösterilmiştir. Yükün fazla olduğu durumlarda proses havasına geçen nem miktarı da arttığı için yoğuşan su hızı artmaktadır. Yoğuşturucu ünite için kütle ve enerji dengesi yazılmış, hesaplanarak elde edilen yoğuşan su debisi ile ölçülen su debileri karşılaştırılmıştır. Deneysel olarak ölçülen ve hesaplanan su debiler arasında %18'lık bir sapma olduğu görülmüştür. Yapılan deneylerde yükten çıkan havların filtreyi kısmen tıkaması sebebiyle hava debisi belirgin ölçüde azalmakta olduğu görülmüştür. Yük miktarına bağlı olmaksızın kurutma süreleri sonunda filtrede biriken havların miktarı yaklaşık olarak aynı olmuştur. Hava debisi ısıtıcı giriş ve çıkış sıcaklıkları ölçülerek belirlendiği için hava debisi değişimi kurutma süresi boyunca anlık tespit edilebilmiştir. Sonuç olarak; çalışılan sistemde kurutulan yük miktarının artması, yoğuşan su kütlesel debisinde de artış yaratmaktadır. Yoğuşan su kütlesel debisinin artması ise birim yük miktarının kurutulma süresini ve harcanan ısıtıcı enerjisini azaltmaktadır.
Araçlarda bir kalite metriği olarak kabin hava kaçağı ve kabin içi gürültü seviyesine etkisi
Günümüz teknoloji ilerleme hızında,otomotiv şirketlerinin sektör içerisindeki rekabetçi konumlarını koruyup, ön sıralarda yer almaları için yüksek müşteri beklentilerini karşılamaları gerekmektedir. Otomotiv şirketlerinin amacı müşteri beklentilerini karşılayarak, memnuniyetini ve bağlılığını sağlamaktır. Müşteri memnunuyeti ve bağlılığı, otomotiv şirketleri tarafından çeşitli anketleme yöntemleri ve servis verilerinden takip edilmekte, edinilen bu verilere göre hem ileri model ürün geliştirme çalışmaları şekillenmekte hem de mevcut üretim araçlarındaki sorunların giderilmesi için ürün geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Ürün geliştirme çalışmalarının önemli bir kısmını araç özellikleri geliştirme çalışmaları oluşturmaktadır. Araç özellikleri konularını genel olarak saymak gerekirse; konfor, kalite algısı, araç ergonomisi, araç dinamiği, performans hissi, yakıt tüketimi, ağırlık, sürücü destek sistemleri ve gürültü/titreşim kontrolü olarak sıralanabilir. Bu konular içerisinde bulunan gürültü ve titreşim kontrolü, hassas müşterilerin en çok dikkat ettiği konulardan biridir ve genellikle uzun bir geliştirme süreci sonununda hedeflenen seviye sağlanabilir. Araç içerisinde oluşan gürültünün kaynağı ile müşterinin kulağı arasındaki iletim yolu ikiye ayrılır, bunlar; hava yoluyla iletim ve gövde yoluya iletimdir. Gövde yoluyla iletim araç gövdesinin motor ve yoldan aldığı gürültüyü titreşim ile müşteri kulağına taşımasıdır. Bu konuya örnek olarak; tren raylarına kulağımızı dayadığımız zaman uzaktan gelen tren sesini hissedebilmemiz verilebilir. Hava yoluyla iletim ise motor ve rüzgar gürültüsünün , yol ile lastikler arasında oluşan gürültünün, kabin içerisine girerek müşteri kulağına ulaşmasıdır. Hava yoluyla iletime örnek olarak; evimizin camı kapalıyken bizi rahatsız etmeyen ve duymadığımız dışarıdaki gürültünün, camımızı çok az açmamızla içeri dolmasını ve bizi rahatsız etmesini verebiliriz. Burada bahsedilen gürültü hava yoluyla taşınarak kulağımıza ulaşır. Kabin içerisine açılan aralıkların ve kaçak noktalarının bulunması ve kapatılması kabin içerisine hava yoluyla alınan gürültünün engellenmesi için çok önemlidir. Kabin hava kaçağı önemli bir kalite metriğidir çünkü kabin içi gürültü seviyesi dışında; araç iklimlendirme sistemleri performansı, toz ve CO girişi, su girişi gibi çok önemli kalite metrikleri kabin hava kaçağı performansına bağlıdır. Bu tezde; kabin hava kaçağının kabin içi gürültüsüne olan etkisi irdelenecektir. Çeşitli hava kaçak noktası belirleme ve hava kaçak ölçme yöntemlerinden bahsedilecektir. Daha sonra kabin hava kaçağının, kabin iç gürültü seviyesine olan etkisi, motor gürültüsü azaltım performansı metrikleri kullanılarak anlatılacaktır. Bu kısımda ayrıca motor gürültüsü azaltım performansı ölçüm yöntemi açıklanacaktır.
Akustik malzemenin sayısal analizler ve deneysel çalışmalar ile ses yutumu korelasyonu
Otomotiv sektörünün gelişen teknolojilere uyum sağlamasıyla birlikte, müşteri beklentilerinin en iyi şekilde karşılanması endüstrinin temel gayelerinden olmuştur. Müşteri beklentileri kalite algısıyla doğrudan ilişkili olduğundan piyasaya sürülen araçların birçok konuda kaliteye sahip olması beklenilmektedir. Kalite beklenilen konuları araç özellikleri olarak genişletmek mümkündür. Bu özellikler araç performansı, yakıt tüketimi, araç dayanımı, ergonomi, geometrik dizayn unsurları, araç dinamiği, multimedya sistemler, araç dışı gürültü ve araç içi gürültü gibi başlıca başlıklardır. Araç içi gürültü seviyesi yolculuk esnasında araçtaki insanların doğrudan kolaylıkla etkilenebileceği bir kalite parametresidir. Araç içerisine giren rüzgar gürültüsü, yol gürültüsü, motor gürültüsü, aracın güç aktarma organlarından gelen sesler müşteri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Konfor anlamında temeli oluşturan bu gürültüler aynı zamanda müşterinin seçim kriterleridir. Gürültü sorununu çözmek üzere sesin kaynağı üzerinde çalışmalar yapılabilmektedir. Her bir parça bazında gelişen teknolojiye ayak uydurularak minimum ses seviyelerine düşmek çözüm arayışlarından biridir. Bir diğeri ise mevcut sesin aktarılması sırasında soğrulması üzerine kuruludur. Akustik malzemelerin özelliklerinden faydalanılarak ses kaynağından sesin ulaşacağı araç içerisine kadar olan kısımda bu malzemeler kullanılarak ses seviyesinde düşüme gidilir. Her ne kadar başlıca hedefler arasında kalite yer alsa da beraberinde getirdiği maliyetler de otomotiv sektörü için kritik konuların başında gelmektedir. Mühendisliğin temelinde yatan optimumu bulma gayreti bu konuda da karşımıza çıkmaktadır. Araç içi gürültü seviyesinden ödün vermeden, minimum maliyetle, araç dinamiğini etkilemeden ve yakıt tüketimini artırmadan neler yapılabileceği hakkında çalışmalar yürütülmektedir. Akustik malzemelerin özelliklerinin bilinmesi ve performansının gözlemlenebilmesi için çeşitli test ekipmanlarından faydalanılmaktadır. Bu ekipmanların verdiği sonuçlar doğrultusunda tasarım girdileri oluşmaktadır. Akustik iyileştirme hedeflenirken bu test sonuçlarının her birine ulaşmak düşünüldüğü kadar kolay olmamaktadır. Herşeyden önce çok yüksek maliyetlerde olan ekipmanların alınması gerekmektedir. Bu ekipmanların çalıştırılması için iş gücüne ihtiyaç duyulmaktadır. Testlerin yapılabilmesi için akustik malzemelerin temini beklenilmek zorundadır. Uzun zamanlar sonunda testler gerçekleştirilir ve sonuçlarına göre araç üzerinde uygulanılması planlanan malzemeler şekillenir. Bu tezde, öncelikle teorik alt yapı için temel ses bilgileri incelenecektir. Ardından sayısal analiz metodları üzerinde irdelemeler yapılacaktır. Tezin amacı doğrultusunda maliyetlerin minimize edilerek beklenilen kaliteye erişilmesi anlamında akustik malzemelerin ses yutum özelliklerinin irdelenmesi yer almaktadır. Test maliyetlerinden ve zaman kayıplarından korunabilmek üzere vibroakustik simulasyon yazılımı kullanılarak test sonuçlarına ne derece yakınsanabildiği incelenecektir. Bu kapsamda alfa kabin test sonuçları ile empedans tüpü test sonuçları toplanacaktır. VA One (Vibro akustik simulasyon yazılımı) içerisinde modellenecek olan alfa kabin içerisinde analizler yapılıp modeller çalıştırılacaktır. Elde edilen sonuçlar kıyaslandırıldığında araç tasarımı yapılırken henüz parçalar somut olarak yokken tasarım girdilerini VA One'dan almanın akustik anlamda ne gibi sonuçlar vereceği gözlemlenecektir.
Ağır ticari çekici araçların ön süspansiyonunda kullanılan yaprak yay tasarımı
Bu çalışmada, ağır ticari çekici araçların ön süspansiyonunda kullanılan yaprak yayın tasarımınının beklenen konfor ve dayanım parametrelerine göre doğrulanması anlatılmaktadır. Yaprak yaylar araçların süspansiyon sistemlerini oluşturan en temel elemanların başında gelir. Ağır ticari çekici araç için tasarlanan yayın konfor beklentisi objektif ve subjektif araç dinamiği değerlendirilmeleri sonucu belli bir yay katsayısı belirlenerek, aracın dinamik özellikleri istenen seviyeye getirilmiştir. Araç dinamiği özelliklerinin yanısıra parçanın dayanım beklentisi için parçanın dayanım testleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalara ek olarak parçanın seri imalat ve kullanım koşullarında en büyük ömrü sağlaması için gerekli malzeme yapısı, alt parça dayanım testleri, ölçümsel kontroller, korozyon testi, paketleme testi, üretim kabiliyeti parametreleri de kontrol edilerek mühendislik onayı verilmiştir. Buradaki temel amaç maliyet ve ağırlık azaltma çalşmalarının yanında tasarımı yapılarak kullanıcıya sunulan ürünün en fazla ömür ve en az kalite hatası ile müşteri memnuniyetini artırmaktır. Parçanın dayanım beklentisi için bilgisayar destekli analizler ve fiziksel saha testleri gerçekleştirilmiştir. Bilgisayar destekli sonlu elemanlar analizinde, kullanımı süresince parçaya gelebilecek çeşitli yükler ile sınır koşulları verilerek farklı koşullarda analizler yapılmıştır. Analizler esnasında parçanın malzeme özellikleri girilerek ve gerçeğe en yakın şekilde modellenerek gerçeğe en yakın sonuçlar elde edilmeye çalışılmıştır. Parçanın fiziksel test onayları kapsamında yaprak yayın çalışma prensibi gereği laboratuvarda hazırlanan deney düzeneğinde çekme-basma yönünde test uygulanmıştır. Aynı test, sonlu elemanlar analizinde gerçekleştirilmiş olup sonuçlar karşılaştırılarak gelecek çalışmalar için bağıntı yapılmıştır. Parçanın tasarım onayında en önemli yer tutan bir diğer çalışma da müşterilerin kullanım profilinden ortaya çıkarılmış olan araç dayanım testleridir. Bu testte aracın öngörülen kullanım ömrü belli parkurlar ve yollar ile kısa sürede araç test edilmektedir. Bu sayede aracın ve alt parçalarının test sonunda sorunsuz şekilde testten geçtiğinde aracın kullanım ömründe istisnai durumlar dışında problem yaşamayacağı doğrulanmış olmaktadır. Buradan toplanan 6 eksenli yük ve moment değerleri sonlu elemanlar analizi için kullanılmıştır. Toplanan yük verileri rainflow yöntemi ile çevrimlere çevrilerek analiz programına girdi olarak verilmeye hazır hale getirilmiştir. Araç üzerinden toplanan yük verileri ile parça araç üzerindeki haline uyumlu modellenerek yaprak yay gözünden toplanan veriler analiz programında kullanılarak koşturulmuştur. Analiz programına parçaların malzeme özellikleri ve uygun mesh tipleri girilerek sonucu gerçeğe en yakın hale getirilmesi amaçlanmıştır. Analizin koşması döngüsü sırasında analiz programı birim yüklü analiz yöntemiyle sonuçları ayrı ayrı adımlarla alarak gelen yükleri vektörel çıktıları ile çarparak hesaplamaktadır. Yaprak yayın bilgisayar destekli analizleri, laboratuvar deneyleri, araç dayanım parkur testleri ile dayanım doğrulanması gerçekleştirilmiştir. Fiziki testler ile bilgisayar destekli sonlu elemanlar sonuçları karşılaştırılarak bağıntılar yapılmıştır. Bu sayede gelecek çalışmalardaki doğruluk oranı artırılmıştır. Bu yöntemlerle kalite iyileştirilmesi, yeni proje tasarımı, maliyet azaltma ve ağırlık azaltması amaçlı yapılacak dizaynlarda izlenmesi gereken adımlar net bir şekilde ortaya koyulmuştur. Tüm bu çalışmalar sonucunda tasarımı yapılan ağır ticari araçların ön süspansiyonunda kullanılan yaprak yayın belirlenen kontrol ve doğrulanma evrelerinden geçerek seri imalata giriş onayı verilmiştir.
İleriye dönük kanatlı radyal fan tasarım yöntemlerinin HAD ile incelenmesi
Fanlar, motordan aldıkları enerjiyi içerisinden geçen havaya aktaran turbomakinalardır. Akışın çarka giriş ve çıkış yönüne göre eksenel ve radyal fanlar olarak iki ana başlık altında incelenirler. Eksenel fanlarda akış çarka eksenel olarak girer ve çarkı eksenel olarak terk eder. Radyal ya da diğer bir adıyla santrifüj fanlarda ise çarka eksenel olarak giren akış 90° dönerek çarkı radyal olarak terk eder. Radyal fanlar kendi aralarında geriye dönük kanatlı radyal fanlar, tam radyal fanlar ve ileriye dönük kanatlı radyal fanlar olmak üzere üçe ayrılır. Geriye dönük kanatlı radyal fanlar bu üç çeşit içerisinde en çok kullanılandır. Kanatları motorun dönme yönünün tersine yönlendirilmiştir. Deneysel ve teorik çalışmaların büyük bir çoğunluğu bu fanlar kullanılarak yapılmıştır. Teorik olarak oluşturulmuş tasarım yöntemleri de bu fanlar için oluşturulmuştur. Verimleri ileriye dönük kanatlılara kıyasla daha yüksek olmakla birlikte boyutları da aynı debi için kıyaslandığında ileriye dönük kanatlılardan daha büyüktür. Literatürde Sirocco fanları ya da sincap kafesli fanlar olarak da bilinen ileriye dönük kanatlı radyal fanlar 19. Yüzyıldan beri havalandırma sitemlerinde, otomobil endüstrisinde ve elektronik aletlerin soğutulmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kanatları motorun dönme yönüne doğru yönlendirilmiştir. Diğer tip radyal fanlarla kıyaslandığında aynı debiyi daha küçük boyutlardaki çarklar ile basabilmektedirler ve daha sessiz çalışırlar. Daha sessiz çalışmalarının nedeni aynı debiyi daha düşük devir sayılarında basabilmeleridir. En önemli dezavantajları ise %50-60'ı geçmeyen verimleridir. Diğer fanlarla kıyaslanırsa kanat sayıları daha fazla ve kanat boyları daha kısadır. En önemli karakteristik özellikleri düşük debi bölgesinde görülen basma yüksekliğindeki düşüştür. Geniş bir kullanım alanına sahip olmalarına rağmen akış hacmi ve tasarım parametreleri üzerinde geriye dönük kanatlı radyal fanlara kıyasla daha az çalışma yapılmıştır. Bu tezdeki esas amaç ileriye dönük kanatlı radyal fan tasarımındaki etkin parametreleri belirlemek ve ilerde yapılacak tasarımlar için tasarım yöntemi önermektir. Literatürde bulunan tasarım yöntemleri ileriye dönük kanatlı radyal fanlar için yeterli uygunlukta olmadıkları gibi, o yöntemler kullanılarak yapılan tasarımlar büyük çoğunlukla tasarım noktası özelliklerini sağlayamamaktadır. İlk olarak literatürden bulunan deneysel verilerin ANSYS FLUENT ve ANSYS CFX yazılımları yardımıyla doğrulanması amaçlanmıştır. Analiz sonuçlarıyla deneysel verilerin kıyaslanması sonucu CFX çözücüsünün genel olarak daha yüksek doğrulukta sonuçlar verdiği görülmüştür. Her iki çözücüde de üç farklı türbülans modeli denenmiş ve en doğru sonucun k-ω SST ile elde edildiği görülmüştür. Çözücü olarak seçilen CFX yazılımında kullanılan türbülans modeli gibi bir çok çözüm parametreleri belirlenmiş ve ileride yapılacak HAD analizlerinde bu çözücü ve çözüm parametreleri kullanılmıştır. 5 farklı tasarım yöntemi kullanılarak tasarımlar gerçekleştirilmiştir. İlk tasarım tek boyutlu tasarım yöntemi olan Euler turbomakina denklemleri kullanılarak yapılmıştır. Tez kapsamında klasik yöntem olarak geçen bu yöntem geriye dönük kanatlarda yüksek doğrulukta sonuçlar vermesine karşın ileriye dönük kanatlar için tasarım noktası özellikleri bu yöntem ile sağlanamamıştır. Bu yöntem ileriye dönük kanatlı fanlar için beklenenden daha az kanat sayısı ve düşük kanat giriş açısı vermektedir. Bu yöntemin gerekli düzeltmeler yapılmadan ileriye dönük kanatlı radyal fan tasarımı için kullanılması önerilmemektedir. İkinci tasarım ise Peng tarafından kendi kitabında önerilen parametreler kullanılarak yapılmıştır. Teorik hesaplamalar sonucunda kanat giriş açısının 37° olması gerektiğini öneren yöntemde kanat genişliği ise diğer yöntemlere göre daha küçüktür. HAD analizleri sonucunda bu yöntemle tasarlanan fanın tasarım noktasını sağlamadığı görülmüştür. Üçüncü tasarım ise klasik yöntem ile literatürde bulunan ve çok sayıda ileriye dönük kanatlı radyal fanda kullanılan parametrelerin kombinasyonuyla oluşturulmuştur. Kanat giriş ve çıkış açıları ile kanat sayısının literatürdeki fanlara yakın olarak belirlenmesiyle elde edilen değerlerle bu tasarımın tasarım noktasını sağladığı görülmüştür. Dördüncü tasarımda ise üçüncü tasarımda kullanılan ve tasarım noktasını sağlayan parametreler Peng yöntemine uygulanmıştır. Kanat giriş açısı 90° olarak belirlenmiş ve kanat giriş açısından etkilenmeyen diğer parametreler aynen korunmuştur. Sonuçlar incelendiğinde sadece kanat giriş açısının değiştirilmesi Peng yöntemi kullanılarak yapılan tasarımda tasarım noktasını sağlayamamıştır. Beşinci tasarımda da tekrar üçüncü tasarımda kullanılan bir parametre olan çark genişliği 22mm'den 40mm'ye çıkarılmış ancak bu değişiklik fan karakteristiğini iyileştirmiş olsa da tasarım noktasını sağlayamamıştır. Yapılan beş ayrı tasarım sonucunda Peng tarafından öne sürülen teorik çıkarımların ileriye dönük kanatlı radyal fan tasarımı için pek uygun değerler vermediği ve tasarım noktası değerlerini sağlamadığı görülmüştür. Geriye dönük kanatlı radyal fanlarda kullanılan yöntemin ise çeşitli parametreler düzeltilmeden ileriye dönük kanatlılar için kullanılmasının sakıncalı olduğu sonucuna varılmıştır. Kanat giriş açısının tek başına değiştirilmesi fan performansında önemli bir etki yapmadığı ve fan tasarımı yapılırken kanat genişliğinin çok önemli bir parametre olmasına rağmen performansı sağlanması için tek başına yeterli olmadığı görülmüştür.
The numerical evaluation of jet impingement effectiveness in a bottom of confined cavity
There are many studies released about small air jet impingement in today's world and the number of studies and usage areas have been increasing in this direction day by day. Because the size of design of applications are becoming smaller due to ergonomic requirements. There are widely small jet usage area available in the industry in connection with their mass and heat transfer capability and being package friendly. To mention about where they are used; they can be collected under three title. They are drying, cooling and heating. The most common area is the area which is using cooling ability of jet nozzle. In this direction, cooling ability can be divided into two topics as protection and production skill. For example, internal combustion engines, jet engines and some applications in heavy industry (CNC turning, milling etc.), electronic systems require efficient cooling systems to reach better performance and prevent hardware failure. These usage areas use protection skills of jet nozzle. To give an example, obtaining tempered glass method is populer in using production method of jet nozzle. Because, the procedure of production of tempered glass need quick cooling after it gets its melting temperature. The jet nozzle is used due to its heating ability as well. Some products are desired high temperature to stay healthy. However, the storage areas of the products may not have the necessities about temperature. For this reason, jet nozzle heating method is finding a solution to avoid it. Associated with ever growing usage areas of jet nozzle, the design of jet nozzle is becoming important role to get higher effectiveness. The unconscious applications can cause cost and efficiency reduction. In this study, the best design schematic is being tried to find to prevent it. This study is related to time dependance heat transfer characteristics of small jet impingement under variety condition of flow type, the distance between the jet and the bottom wall, the inclination of bottom wall and the blockage effect on the way of flow line on the bottom cavity (293°K). To mention in details with pointing out using air as refrigerant, the first factor is flow characteristic related different Reynolds number (Re) changes in two values of 3,300 to 6,600 which are affected directly from diameter, inlet velocity of circular jet nozzle and kinematic viscosity of air in this inlet temperature (283°K). The second one is to see effect of distance between circular jet and the bottom wall (H) and constant nozzle diameter with 10 mm (D) (H/D) as three different ratio of 1, 5, 10. The third one is the tilt angle of bottom wall which is nearly the first contact with the jet flow with variance of 0, 10 and 20 degrees. The last one is using circular blockage over flow area. Unstructured and structured mesh type are used by looking inclination availability. If the geometry has zero inclination, structured and quadriteral mesh is used. Otherwise, unstructured and triangle mesh is applied at inclined zones. Standart wall function k-e turbulent model is performed all of the simulations. For the validation, standart wall function k-e, realizable k-e and SST k-w turbulent model are compared with one simulation. It is seen that the results are close to each other so it is not problem to continue with standart wall function k-e turbulent model. Lastly, the solution is run by using 2-D and transient method. Totally there are about twenty configurations simulated in the study by changing inputs which have mentioned before. As a consequence of these tests, the first deduction is to impinge the air with as fast as possible to the taget surface since the heat transfer on the surface has directly relationship with Reynolds number namely inlet velocity. Another method of getting increased Reynolds number might be widen diameter of jet nozzle. It also causes efficient heat transfer. The second deduction is to pull the jet nozzle over the surface which is desired to cool, in another saying reduce the distance between the jet nozzle and the effected plate since the effect of air has improved in this case. The third inference is applying inclination has poor effect on the heat transfer between air exit from jet nozzle and the target plate due to nonuniform flow distribution. All these inputs lead quick cooling as well besides increased cooling profile. The last inference is setting blockage on the flow line can be used for increasing head transfer capability but it does not work for increasing cooling acceleration. In conclusion, the lower distance between target plate and jet nozzle, the more Reynolds number, the less inclination and using blockage on the flow line is the best configuration to increase cooling and heat transfer capacity on the confined cavity.
İçten yanmalı motorlarda yakıta etanol katkısının motor emisyon ve performansına etkisi
Dünyada gelişen teknoloji ile beraber otomotiv sektörü de bu gelişmelere ayak uydurarak çok hızlı bir şekilde ilerlemektedir. Ülkemizde ve dünyada üretilen araçlar çok hızlı bir şekilde satılmakta ve bunun yanında birçok marka ile müşteri beğenisine sunulmaktadır. Satışları artırmak için müşteri kriterlerine bağlı olarak sürekli iyileştirmeler ve çalışmalar gerek araç dizaynlarında gerek performans iyileştirmek için yapılmaktadır. Bunun yanında gelişen teknoloji ile beraber dünyada bu teknolojilerin neden olduğu atıklar nedeniyle birçok sağlık sorunları yaşanmaktadır. Dünyadaki çeşitli sağlık, çevre örgütleri ve devletler yaşanan sağlık sorunlarına ve çevre kirliliğinin artması nedeniyle araçların neden olduğu atıklara dikkat çekmektedirler. Bu yüzden dünyamızın geleceğini korumak ve çocuklarımıza sağlıklı bir yaşam alanı bırakmak adına otomotiv sektöründe de araçların neden olduğu kirletici emisyonları azaltmak için çalışmalar yapılmaktadır. Devletler de bu emisyonlara kısıtlamalar getirerek bu çalışmaları desteklemektir. Bu kısıtlamalarda yeni üretilen araçların doğaya saldığı insan sağlığına zararlı ve kirletici gazları sınırlandırmakta, bu standartlara uygun olmayan araçların satışa sunulmasına izin vermemektedir. Araçlardaki yakıt sarfiyatını azaltmak, petrol kökenli yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak adına bilim insanları çaışmalarını sürdürmektedirler. Yakıt sarfiyatının azaltılması için ise uygulanan yöntemlerden biri alternatif yakıt kullanmaktır. Bu yüzden bu çalışmada yakıta faklı oranlarda etanol katılarak bunun sonucunda motorun performans ve emisyon değerleri incelenmiştir. Yakıt sarfiyatını azaltmak için kullanılan yöntemlerden biri de aşırı doldurma, yani motor silindirindeki giriş basıncını artırarak motordan daha fazla verim elde etmektir. İçten yanmalı motorun giriş basıncı artırılarak aynı dönme sayısında daha fazla güç elde etmek buna karşılık daha az zararlı gaz salımı elde edilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmada, 4 silindirli içten yanmalı benzin motoru modellenmiştir. Modelleme için AVL Boost yazılımı kullanılmıştr. Simülasyonlar sonucunda yakıta etanol eklendiğinde motordan elde edilen gücün azaldığı, yakıt tüketiminin arttığı fakat bunlara karşılık NOx ve CO emisyonlarında azalmalar, HC emisyonlarında ise artışlar olduğu gözlenmiştir. Bir sonraki aşamada ise yakıt dolgusunun hava / yakıt oranı değiştirilerek yakıtın fakirleştirildiği durumda motor performans ve motor emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Simülasyonlar sonucunda yakıtın belirli oranlarda fakirleştirilmesi ile motordan elde edilen güçte azalma fakat buna karşılık maximum gücü veren işletme koşullarında yakıt tüketiminin azaldığı görülmüştür. Motor emisyonlarında ise HC ve CO emisyonlarında azalma olduğu buna karşılık NOx emisyonlarında artış gözlemlenmiştir. Çalışmanın son kısmında ise motordaki silindirlerin giriş basınçları artırılarak yine daha verimli ve çevreye daha az zararlı gaz salınımı yapan çalışma şartları elde edilmek istenmiştir. Giriş basıncı artışı ile birlikte motorun sıkıştırma oranı, hava / yakıt oranı da değiştirilerek en optimum sonuçlar elde edilmeye simüle edilmiştir. Burada hedef, motorun oluşacak yüksek basınç ve sıcaklıklara karşı dayanımı düşünülerek maksimum basıncın referans motor basınçlarına göre maksimum iki katına çıkıyor olmasıdır. Simülasyonlardan elde edilen verilere bakıldığında ise silindir giriş basınçları artırıldığında belirli basınç değerlerine kadar elde edilen motor gücünün arttığı, buna bağlı olarak ise yakıt tüketiminin arttığı, HC ve CO salımlarının azaldığı fakat NOx salımlarının arttığı gözlemlenmiştir.
Seyahat otobüslerinde ECE-R/66-02 regülasyonuna göre tasarlanan yanduvar-altyapı bağlantı konseptinin optimizasyonu
Otobüsler, gerek ekonomik olması gerekse de kolay ulaşılabilirliğinden dolayı yük-sek talep gören toplu taşıma araçları sınıfındadırlar. Yüksek sayıda insan taşıma-sından dolayı, güvenlik açısından diğer binek araçlarına göre daha kritik ve önemi daha yüksek olarak değerlendirilmektedirler. Karayollarında oldukça farklı kaza çeşitleriyle karşılaşılmakta ve uzmanlar en çok, doğal olarak, çarpışma kazaları üzerine durmaktadırlar. Bu tarz kazalar hemen he-men her gün karşımıza çıkmaktadır. Bunlar üzerine birçok güvenlik sistemi çıka-rılmış ve oldukça başarılı olmuştur. Araştırmalar göstermektedir ki; otobüsler için en yıkıcı ve en fazla can kayıplarının yaşandığı kaza çeşitleri devrilmeler olmuştur. Bu kaza çeşitleri ile çok fazla karşı-laşılmamakta ancak diğer kazalara oranla yolculara 5-6 kata daha zarar verici ol-maktadır. Bu bağlamda U.N.E.C.E (United Nations Economic Commission for Europe) tara-fından devrilmeler üzerine bir standart oluşturulması öngörülmüş ve 1997 yılında ECE R 66.00 regülasyonu yayımlanmıştır. Bu regülasyon, devrilme anında araç karoserisi içerinde bir yaşam alanı tanımlar ve bu alanda yolcu yaşamını korumayı öngörür. ECE R66 regülasyonu genel anlamda devrilmelerde yolcu yaşamını korumaya yö-nelik bir bildiridir. Bildirinin tariflediği; belirtilen komponentlerin de eklendiği bir araç karoserisi yerden 800 mm yüksek bir platformdan yana devrilmek suretiyle beton zemine serbest bırakılır. Devrildikten sonra tanımlanan yaşam alanına hiçbir girişimin olmadığı ve karoserinin bozulmadığının gözlenmesi gerekmektedir. Gelişen ve değişen şartlara ayak uydurmak adına komisyon önce ECE R66.01 ve sonrasında ECE R66.02 versiyonlarını yayımlayarak şartları biraz daha ağırlaştır-mıştır. Versiyon 0 ile 1 arasında yolcu ağırlıklarının eklenmesi ve yapının %90 a varan daha yüksek enerji sönümlemesi talep edilmiştir. Versiyon 2'de ise istek ha-linde çift katlı otobüslere de bu şartların sağlanması istenmiştir. Bu değişimler so-nucunda araç karoserilerinde de bir takım ciddi iyileştirilmeye gidilmesi zorunlulu-ğu doğmuştur. Regülasyon bu şartların kontrolünü iki farklı yöntemle sağlamaktadır. Birincisi, fiziki olarak tamamlanmış bir aracı, regülasyonun tanımladığı şartlarda gerçekten devirerek yaşam alanının kontrolünü sağlamasıyla olur. İkincisi ise; güvenilirliği testlerle tescillenmiş bir analiz programı vasıtasıyla tüm aracı sanal ortamda devi-rerek şartların sağlanıp sağlanmadığının kontrolünü yapmaktır. Takdir edildiği gibi ilk yöntem oldukça masraflı ve uygulanabilirliği zor bir yöntemdir. Zira ilk dene-mede başarılı olmadığı takdirde araçta herhangi bir iyileştirilmenin yapılıp tekrar tekrar aynı testin gerçekleştirilmesi hem zaman hem de bütçe açısından verimsiz bir uygulama olacaktır. Bu bakımdan firmaların neredeyse tamamı LS-Dyna isimli bilgisayar programı vasıtasıyla şartları simule etmektedirler. Program üzerinde düzeltme ve uygulama hem daha hızlı hem de maliyet açısından daha avantajlı ol-maktadır. Tez çalışmasında da benzer yol izlenerek fiziki araç devrilmesi yerine LS-Dyna programı ile yapılan optimizasyon çalışmasının tüm araçta etkisi incelenmiştir. Çalışmalar için hali hazırda ECE R66.02 şartlarını yerine getiren bir araç ailesi ele alınmış ve mevcut güçlendirmelerin optimizasyonu planlanmıştır. Araçların altyapı-yan duvar birleşimlerinde bulunan yüksek mukavemetli ve kalıplı parçalar incelendiğinde maliyet açısından dezavantajlı yapılar olarak göze çarpmış-tır. Bu parçaların değişimi ve en az bu parçalar kadar mukavim ve daha az maliyetli bir yapının bulunması planlanmıştır. Bölgesel inceleme ve yapının optimizasyonu için problem çözme yöntemlerinden TRIZ yöntemine başvurulmuştur. Bu yöntem, sıfırdan bir çözüm yaratmak yerine önceden yapılmış olan ancak farklı alanlarda kullanılmış yöntemleri kullanıcıya sunar ve fikir yönlendirmesi yapar. TRIZ yönteminde bulunan 13 farklı metottan 39x39 çelişki matrisi metodu kullanılmış ve yöntem hem mevcut çözümü ( parçala ve yuvarlat ) hem de çalışmada kullanılacak olan çözümü (kompozit yapı desteği) önermiştir. Buradan hareketle karoseriye mevcut yüksek mukavemetli ve kalıplı parçalar yerine kompozit yapının desteği çözümü üzerine gidilmiştir. Kompozit yapıların farklı çeşitlerinin olması ve davranışlarının takibi açısından ITU (İstanbul Teknik Üniversitesi) Makine Fakültesi Laboratuvarlarında çekme-basma, 3 nokta büküm ve drop-tower testleri uygulanmıştır. İlk noktada altyapı-yan duvar bağlantı bölgesine karbon fiber plaka şeklinde bir destek öngörülmüş fakat bu yapının oldukça yetersiz olduğu gözlemlenmiştir. Bu noktadan sonra 6 farklı çözüm denenmiş ve nihayetinde yapıyı saran 3 yüzeyi 5 er katman ve alt yüzeyi 2 katmandan oluşan 0/90 dizilimli glass fiber yapıda optimum çözüm olarak karar kılınmıştır. Bu testler ITU lisans öğrencileri tarafından ANSYS programlarında da doğrulanmış ve malzemelerin bilgileri çıkarılmıştır. Sonrasında bu bilgiler LS-Dyna programın-daki kompozit malzeme kataloğunda bulunan en uygun malzeme seçimi için girdi bilgisi olarak kullanılmıştır. Bu bilgiler ışığında elde bulunan mevcut yapı ile kompozit destekli yapı LS-Dyna programında koşturulmuş ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde bir takım ilavelere ihtiyaç olduğu gözlemlenmiş ve gelecek çalışmalar için bir be-lirleyici olacağı görülmüştür. Çözüm maliyet açısından incelendiğinde hedeflenen tasarruf mevcut yapıya göre %25, ağırlık tasarrufu da %4 olarak planlanmıştır. Mevcut çalışmalar sonucunda ortaya çıkan maliyet tasarrufu istenilene yakın olarak %23 civarlarında olmakla beraber, ağırlık konusunda benzer bir değere ulaşılmıştır.
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.
Yatay boru üzerindeki havuz kaynamanın incelenebileceği deney düzeneği tasarımı ve aseton için havuz kaynamanın deneysel olarak incelenmesi
Kaynama ısı geçişi, endüstriyel ürünlerde sıkça karşılaşılan bir ısı geçişi türüdür. Evaporatörler, buhar kazanları, ısı boruları kaynama ısı geçişin görülebileceği ticari ürünlere örnek verilebilir. Bu ürünler tasarlanırken, maliyet etkisinden dolayı, küçük yüzey alanından büyük ısı geçişi sağlanması hedeflenir. Bu nedenle de, tasarım için kaynama ısı taşınım katsayı oldukça önemli bir parametredir. Kaynama ve taşınım ısı geçişi arasında bazı benzer noktalar olmasına rağmen, kaynamadaki faz değişimi nedeni ile kaynamadaki ısı geçişi çok daha karmaşık bir yapıda gerçekleşir. Fakat, her iki ısı geçişi şekli de katı bir yüzey ile akışkan arasında gerçekleştiği için matematiksel olarak formule edilirken ısı taşınım katsayısı ifadesi kullanılır. Kaynama olayındaki faz değişimi ve faz değiştiren moleküllerin hareketleri, kaynamadaki ısı taşınım katsayısının teorik olarak ifade edilmesini zorlaştırır. Bu nedenle, kaynama için literatürde çoğunlukla deneysel çalışmalar sonucunda elde edilmiş ampirik bağıntılar yer almaktadır. Deneysel olarak, kaynama ısı taşınım katsayısı, temel olarak ısı akısının kızma farkına bölünmesi ile hesaplanır ve hesaplanan değer sadece yapılan deney şartlarında geçerlidir. Bu tez kapsamında, farklı basınçlar altında, boru üzerinde gerçekleşen kaynamanın incelebileceği bir deney tesisatı tasarlanmış ve sonrasında aseton için bazı sıcaklık ve basınç değerlerinde havuz kaynama incelenmiştir. Havuz kaynamanın önemli parametrelerinde bir tanesi de basınç değeridir. Bu nedenle deney düzeneği farklı basınçlar ile deney yapabilmek adına kapalı bir devre olarak tasarlandı. Deney düzeneği, temel olarak bir adet evaporatör tankı, bir adet su soğutmalı kondenser tankı olarak tasarlandı ve bu iki tank alt ve üst taraflardan borular bile birbirine bağlanarak kapalı bir devre oluşturuldu. Silindir şeklindeki evaporatör tankına içerisinde elektrikli ısıtıcı olan, üzerindeki kaynamanın inceleneceği boru yerleştirilmiştir. Boru içerisindeki elektrikli ısıtıcı 220 V gerilim altında 2300 W ısıl güç sağlayabilmektedir. Evaporatörde boru üzerinde kaynayan akışkan faz değiştirerek yükselmekte ve kondenser tankına girmektedir. Burada yoğuşan akışkan da kondenser tankının altında birikerek, bileşik kaplar prensibine göre tekrar evaporatör tankına geri dönmektedir. Evaporatörde verilen ısı ile kondenserde çekilen ısının birbirine eşit olduğu durumda, sistemde rejim halinde kaynama gözlemlenecektir. Farklı basınçlarda deney yapılması istendiğinde ise, deneye başlamadan önce vakum pompası ile sistemin içindeki hava ve akışkan buharı sistemden uzaklaştırılmalıdır. Deney tesisatı farklı borular ve akışkanlar için, farklı basınç ve sıcaklık değerlerinde kaynamanın incelenmesine olanak verecek şekilde tasarlanmıştır. Aynı zamanda evaporatör tankına eklenen gözetleme camı ile, boru üzerindeki kaynama görsel olarak da incelenebilmektedir. Deney sırasında evaporatördeki homojen sıcaklığının korunması için, kondenser tankına bir adet ön ısıtıcı eklenmiştir. Bu ön ısıtıcı evaporatör tankından aldığı sıcaklık sinyali ile çalışan bir PID kontrol devresi ile çalışmaktadır. Böylece, kondenserde yoğuşan ve aşırı soğuyan akışkan evaportör tankına doyma sıcaklığında dönecektir ve evaporatördeki sıcaklık dağımınını etkilemeyecektir. Bu sayede ana ısıtıcıdan sağlanan ısıl gücün tamamının kaynama için kullanılacağından emin olunmuştur. Bu tez kapsamında, asetonun düz çelik boru üzerindeki havuz kaynaması incelenmiştir. Rejim halinde istenilen basınç değeri elde edildikten sonra, çelik boru üzerine yerleştirilen termo elemanlar ile yüzey sıcaklığı belirlenmiş, evaporatör tankı üzerindeki basınç trasnmitterinden okunan baasınç değerine bağlı olarak da akışkanın doyma sıcaklığı belirlenmiştir. Evaporatördeki ısı güç de, ısıtıcıya sağlanan elektrik enerjisine eşit olduğu için, elde edilen verilerle kaynama ısı taşınım katsayısı hesaplanmıştır. Bu tez kapsamında aseton için yapılan havuz kaynama deneylerinde elde edilen ısı taşınım katsayısı ve Nusselt sayısı değerleri, ilgili deney şarlarında literatürdeki bağıntıların verdiği sonuçlarla karşılaştırılmış ve deneysel sonuçların Cooper ve Ribatski & Jabardo bağıntıları ile yakınsadığı görülmüştür. Deneysel çalışmada elde edilen kaynama ısı taşınım katsayıları farklı basınç değerlerinde elde edildiği için bu tez kapsamında yapılan çalışma sonucunda elde edilen verilere göre bir kaynama ısı taşınım katsayısı ya da Nusselt sayısı bağıntısı önermek doğru olmaz. Ayrıca 3 farklı ısı akısı için de rejim hali olmadan 40 kPa ve 100 kPa basınç değerleri arasında her 10 kPa basınç değişiminde kabarcık oluşumunun nasıl değiştiği görsel olarak incelenmiştir. Basınç ve sıcaklığın artması ile kabarcık boyutlarının küçüldüğü, kabarcık sayısının ise arttığı gözlemlenmiştir.
Doğrusal kesitli olmayan pertürbatörlerle periyodik aralıklarla kaplanmış bir türbin iç soğutma kanalındaki akışın RSM ile sayısal analizi
Modern gaz türbinlerinin performansını etkileyen en önemli parametrelerden biri türbin giriş sıcaklığıdır. Türbin giriş sıcaklığının yüksek olması daha verimli türbin sistemlerinin olmasını sağlar. Günümüzde türbin giriş sıcaklıkları kullanılan malzemenin dayanım değerlerini aşmıştır. Bundan dolayı türbin malzemesi makul seviyelere soğutulmalıdır. Türbinlerde kullanılan çeşitli soğutma yöntemleri vardır ve bunların en önemlileri film soğutma, çaptırmalı soğutma ve iç soğutmadır. İç soğutma sisteminde türbin kanatlarının içerisinde çeşitli geometrilere sahip soğutma kanalları bulunmaktadır. Kanat dış ortam sıcaklığına göre daha soğuk akışkan bu kanallardan geçerek kanadı soğutmaktadır. Kanallarda ısı transferi yüzeyini ve türbülansı artırıcı pertürbatörler kullanılmaktadır. Bu sayede malzemeden uzaklaştırılan ısı akısı da belirli miktarda artmaktadır ve daha verimli sistemler elde edilmektedir. Mevcut çalışmada tek yüzeyi % 30 blokaj oranına sahip pertürbatörler ile kaplı soğutma kanalının performansı incelenmiştir. Bu tarz yüksek blokaj oranına sahip kanallar daha çok küçük türbin kanatlarında ve kanadın firar kısmına yakın bölgelerde bulunmaktadır. Literatürde daha önce deneysel ve LES analizi yapılmış pertrübatörlü kanal ele alınarak sayısal olarak RANS modeli ile analiz edilmiştir. Yapılan sayısal çalışma konjuge olarak ve metalden akışkana doğru sabit ısı akısı verildiği kabul edilerek yapılmıştır. Kanal içerisinde 7 adet pertürbatör bulunmaktadır ve pertürbatör adımı ve Reynold sayısı hiçbir modelde değişmemektedir. En uygun RANS modeli seçilerek blokaj oranı aynı kalmak şartıyla 3 adet bombeli 3 adet de çukurlu pertürbatörden oluşan kanalın hem akış performansı hem de ısı transferi performansı incelenmiştir. Bombe ve çukurların eğrilik yarıçapları pertürbatör yüksekliği ile orantılı olarak değişmektedir. Bu eğrilik yarıçapları pertürbatörlerin yüzey alanlarında meydana gelen değişimler göz önüne alınarak belirlenmiştir. Yapılan sayısal çalışmada bir adımlık pertürbatör bölgesindeki ortalama EF katsayısı hem genel hem de bölgesel olarak incelenmiştir. Bombeli ve çukurlu pertürbatörlerden elde edilen bölgesel ve genel sonuçlar kare kesitli pertürbatörlü sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Buna ilave olarak boyutsuz basınç düşüşü katsayısı da her yeni pertürbatörlü kanal için değerlendirilmiştir. Bu sayede hem ısı transferi hem de basınç kaybı konusunda önerilen yeni pertürbatörler mevcut kare kesitli pertürbatörün RANS sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır.
Yardımcı donanımların motor gürültüsüne etkisinin deneysel olarak incelenmesi
Gün geçtikçe teknolojinin ilerlemesiyle birlikte müşteri beklentileri de değişime uğramaktadır. Bu durum üreticileri, üretilen ürünlerin müşteri beklentilerine göre yeniden tasarlanmasına zorlamaktadır. Özellikle otomotiv dünyasında bu duruma sıkça karşılaşılmaktadır. Ortalama olarak iki üç yılda bir üretilen araçlarda major değişikliğe gitmelerinin ana sebebini bu durum oluşturmaktadır. Yapılan anketler ve pazardaki ekonomik durumlarda yaşanan değişimlerin, otomotiv üreticilerini her zaman daha iyisine ulaşmak için çalışmalar yapılmasına zorlamaktadır. Yapılan iyileştirmelerin en önemli kısımlardan biri de NVH alanında yapılan çalışmalardır. NVH açısından ise motor gürültüsü en önemli parametreyi oluşturmaktadır. Motor gürültüsünün hangi komponentlerden kaynaklandığını bilmek motor gürültüsü azaltma çalışmalarında nokta atışı yapmayı sağlayacaktır. İçten yanmalı motorların oluşturmuş olduğu titreşim ve gürültü araç seyir konforunu etkilemektedir. İçten yanmalı motorların sebep olduğu gürültüler genel olarak üç bölümden oluşmaktadır. Bunlar mekanik, yanma ve yardımcı ekipmanlardan kaynaklı gürültü olarak öne çıkmaktadır. Bu tez kapsamında yardımcı ekipmanların motor gürültüsüne etkisi incelenmiştir. Tez kapsamında ilk olarak ses, gürültü ve titreşimle ilgili bilgiler verilmiştir. Daha sonra taşıtlarda meydana gelen gürültü ve titreşimlerin yayılma yöntemlerinden bahsedilmiştir ve motor gürültüsünün zamanla azaltılmasıyla ilgili istatiki bilgiler verilmiştir. Tez kapsamında 12.7 litre 505PS gücünde ticari bir motorun yarı anekoik odada dinamometreye bağlanarak motor yardımcı elemanlarının x, y ve z yönündeki titreşim ve motorun sağ, sol, yan ve üst noktalarından 1m uzağına yerleştirilen mikrofonlardan alınan gürültü datası motorun tam yük, sıfır yük ve rölanti devri koşullarında toplanmıştır. Motor yardımcı donanımlarından motorun sol tarafında bulunan yağ filtresi, su pompası, yağ tankı ve turbo ile motorun sağ tarafında bulunan alternatör, yakıt filtresi, emme manifoldu, yakıt hattı, yakıt pompası, marş motoru ve yağ tankının motor gürültüsüne olan katkısı incelenmiştir. İncelenen gürültü datasında motorun hangi yönündeki gürültünün baskın olduğu ayrıca bu yöndeki hangi komponentin hangi motor çalışma koşullarında daha baskın olduğu incelenmiştir. Her bir komponente motor üzerindeki konumundayken modal analiz testi gerçekleştirilerek komponentlerin hangi frekanslara daha duyarlı olduğu diğer bir deyişle doğal frekansları bulunmuştur. Motorun sol ve sağındaki baskın gürültüyü oluşturan merkez frekanslar belirlenmiştir. Bu merkez frekanslar %20 band genişliğinde kesilerek motor komponentlerin ivme değerleri motorun tam yük koşullarında 800 dev/dak'dan 2100 dev/dak'ya kadar hızlanarak alınan datalar incelenmiştir. İncelen bu ivme değerlerinden hangi komponentin hangi motor devrinde daha baskın geldiği bulunarak motorun baskın olan gürültü kaynağı tespit edilmiştir. Tespit edilen gürültüler akustik kamera kullanarak, akustik kameranın motor gürültüsü kaynağı tespitinde hangi frekanslarda daha efektif olduğu incelenmiştir. Tez kapsamında bulunan sonuçlar; • Tam yük koşullarında motorun sağ tarafından kaynaklanan gürültü tüm motor devirlerinde daha baskındır. • Sıfır yük koşullarında ise 1750 dev/dak'ya kadar motorun sağ ve sol tarafındaki gürültü seviyesi aynı 1750 dev/dak'dan sonra sağ yüzeyindeki gürültü seviyesi daha baskın hale gelmektedir. • Motorun rölanti devrinde ise sol yüzeyindeki gürültü seviyesi en yüksektir. • Akustik kameranın motor gürültüsü kaynağı tespitinde düşük frekanslarda doğru sonuç vermediği görülmüştür. • Motorun sol tarafındaki gürültünün 1000Hz ve 2000Hz arasında yağ filtresinden kaynaklandığı görülmektedir. • Motorun sol tarafındaki gürültünün 1000Hz'den düşük frekanslarda yağ tankı ve turbodan kaynaklandığı görülmektedir. • Motorun sağ tarafındaki gürültünün yüksek frekanslarda baskın olan kaynağın yakıt filtresinden kaynaklandığı görülmektedir. • Motorun sağ tarafındaki gürültünün düşük frekanslarda baskın olan kaynağın alternatörden kaynaklandığı görülmektedir.
Binalarda enerji tüketiminin ısıl modellenmesi için meteorolojik verilerin çıkarılması
Yaşamın devamlılığını sağlayan enerji, dünya genelinde önemli bir sektör haline gelmiştir. Nüfus artışı ve teknolojik ilerlemeler enerji tüketimini arttırırken öte yandan kısıtlı kaynak erişimi, enerji fiyatlarının artışı, küresel ısınma ve iklim değişiklikleri, ülkeleri enerji ihtiyacı karşılama konusunda endişeye düşürmektedir. Bu nedenle enerjinin etkin kullanımı gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Günümüzde artık ülkelerin gelişmişlik göstergelerinden biri de enerjiyi verimli kullanmak olmuştur. Bu nedenle enerji verimliliği üzerine başlatılan çalışmalar halen devam etmekte olup binalarda tüketilen enerjinin, enerji tüketiminin üçte birini oluşturduğunu göstermektedir. Bu nedenle binalarda enerji verimliliği konusunda çalışmalar ivme kazanmaktadır. Enerji verimliliğini arttırmak için yapılan çalışmalarda binalarda enerji tüketiminin doğru hesaplanması gerekmektedir. Dünya genelinde binalarda enerji tüketiminin doğru hesaplanması için standartlar ve yönetmelikler oluşturulmuştur. Bu standartlarda binaların ısıtma yükü net enerji ihtiyacı değerinin hesaplanması için kullanılan yöntemler yer almaktadır. Böylece binaların ısıtılması için kullanılan enerji miktarı sınırlandırılmaktadır. Hesaplama yöntemi olarak üç ayrı yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemler aylık/mevsimsel hesaplama yöntemi, basit saatlik hesaplama yöntemi ve detaylı benzetim hesaplama yöntemidir. Aylık/mevsimsel statik hesaplama yönteminde ısıtma enerji ihtiyacı aylık/mevsimsel hesap aralıkları ile hesaplanmakta olup binanın gerçek ısıl davranışı hesaba katılmamaktadır. Basit saatlik dinamik hesaplama yöntemi direnç-kapasite (R-C) modeli ile binanın saatlik ısıl davranışını gerçeğe yakın şekilde yansıtabilmektedir. Detaylı dinamik benzetim hesaplama yönteminde ise binanın ısıtma-soğutma yükünü hesaplamak için binanın ısıl koşullarının, veriminin matematiksel analizi yapılarak yıl içinde tüketeceği enerji miktarı saptanmaktadır. Türkiye'de de binalarda enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik olarak ısı yalıtımının kurallarını belirleyen TS 825 standardı "Binalarda Isı Yalıtımı Kuralları" ve binaların ısıtılması ve soğutulması için enerji kullanımının hesaplanmasını içeren TS EN ISO 13790 standardı "Binaların Enerji Performansı" ilgili bakanlık tarafından kabul edilmiştir. Ancak bir bina yönetmeliklere uygun olsa da enerji etkin olmadığı durumlar söz konusu olmaktadır. Yönetmelikler deneysel formüllere dayalı ifadelerden oluşmaktadır ve binanın dinamik olarak enerji performansını saptamaktan uzak kalabilmektedir. Özellikle geçiş mevsimlerinde gerçeğe göre sapmalar gözlenmektedir. Bu nedenle bina enerji performansı hesaplamak için yeni yöntemler geliştirilmektedir. Bina enerji performansı hesaplamalarında iklimsel veriler ve iç kazançlar hesaplamaların temelini oluşturmaktadır. Kullanılan verilerin gerçeği yansıtması hesaplamaların doğru sonuç vermesi için önemlidir. Fakat ölçüm istasyonlarından elde edilen meteorolojik verilere ulaşmakta bölge ve dönem açısından güçlükler olabilmektedir. Bina enerji performansı hesaplamalarında kullanılan iç kazançlardan biri de güneş kazançlarıdır. Ancak güneş ışınımı verilerine ulaşmakta zorluklar ve imkânsızlıklar olmaktadır. Her bölgede ölçüm istasyonu bulunmaması gibi nedenlerden dolayı güneş ışınımını hesaplayarak elde etme ihtiyacı doğmaktadır. Bu çalışmada da düşey düzleme gelen güneş ışınımı şiddeti hesaplama yöntemi kullanılarak, oluşturulan enerji tüketimi ısıl modelleri üzerinde uygulanması amaçlanmıştır. Çalışmada Türkiye'de kullanılan mevcut standartlar kısaca açıklanmış ve karşılaştırılmıştır. Binalarda ısıtma enerjisi ihtiyacını dinamik analiz yöntemi ile hesaplamak için önceden geliştirilmiş olan iki farklı yeni yöntem düzenlenerek ele alınmış ve yapılan kabuller eşliğinde detaylı olarak matematiksel ifadelerle açıklanmıştır. İlk yöntemde toplam kütle yaklaşımı ile bina ve bina içi farklı iki kontrol hacmi olarak ele alınarak enerji korunumu denklemine dayanan diferansiyel denklem sistemleri oluşturulmuştur. Diferansiyel denklem sisteminin çözümü ile zamana bağlı olarak bina iç sıcaklığını ve bina dış duvar sıcaklığını veren denklemler elde edilmiştir. Böylece dış ortam sıcaklık dağılımı bilindiği takdirde, ele alınan binanın iç ortam ve dış duvar sıcaklıkları istenilen zaman adımları için dinamik olarak hesaplanmaktadır. İkinci yöntemde parabolik ısı denklemi kullanılarak ısıl model oluşturulmuştur. Bina dış kabuğu için sınır şartlar belirlendikten sonra uygun çözüm yöntemi kullanılarak diferansiyel denklem sistemi çözülmüştür. Böylece bina dış ortam sıcaklığına ve zamana bağlı olarak binanın iç ortam ve dış duvar sıcaklıklarını veren matematiksel ifadeler elde edilmiştir. Isıl modellerde kullanılması için bilinmesi gereken güneş ışınımı hesaplama yöntemi bu çalışmada anlatılmıştır. Bu sebeple güneş ışınımı ile ilgili gerekli açıklamalar ve bağıntılar açıklanmıştır. Yeryüzünde yatay ve eğik düzlemlere gelen anlık ve günlük güneş ışınımını veren bağıntılar, açıklanarak anlatılmıştır. Böylece konumu bilinen bir yerde herhangi bir yöne konumlandırılmış bir binaya gelen anlık güneş ışınımı şiddetini hesaplamak mümkün olmaktadır. Çalışmada bina ısıtma enerjisi ihtiyacının hesaplanması için basitten karmaşığa doğru giden bir yöntem izlenerek, oluşturulan ısıl modeller anlatılmıştır. Isı kaybı ve kazancının yalnızca dış duvar ve pencerelerden olduğu varsayımı ile ele alınan örnek bir oda için ısıl model oluşturulmuş ve sonlu farklar yöntemi kullanılarak bir boyutlu ısı geçişi denklemi çözülmüştür. Direnç-kapasite yönteminin kullanıldığı çalışmada başlangıçta yalnız dış duvardan oluştuğu kabul edilen modellere dış duvar ve pencereden oluşan karma paralel duvar yapısı eklenmiştir. Ayrıca dış duvar ve pencerelere eşit güneş ışınımı akısı gelmesi durumu eklenerek modeller geliştirilmiştir. Güneş ışınımı hesaplamak için oluşturulan Excel programından elde edilen veriler burada kullanılmıştır. Böylece dış duvarın, dış duvarın iç ve dış yüzey sıcaklıklarının istenilen zaman adımları için hesaplanması mümkün olmaktadır. Son olarak TS EN ISO 13790 standardında yer alan hesaplama yöntemine göre çözüm yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmada duvar sıcaklığı, dış duvarın iç yüzey sıcaklığı ve enerji kaybı sonuçlarının yüzde beşin altında olduğu görülmüştür. Yapılan çalışmada sunulan yöntemlerle bulunan çözümlerin binalarda ısı kaybı hesaplamalarında referans olarak alınabileceği önerilmiştir. Buna ek olarak burada yer alan çözüm yöntemine dayanarak daha esnek bir modelin geliştirilebileceği önerilmektedir. Yine çalışmada yer alan eğik düzleme gelen anlık güneş ışınımının hesaplanması yöntemi ile oluşturulan program diğer güneş enerjisi sistemlerinin tasarımında kullanılabilir. Böylece ölçüm istasyonu bulunmayan veya veri ulaşımının güç olduğu yerler için de yüzeylere gelen anlık güneş ışınımı şiddeti hesaplanarak elde edilen sonuçların kullanılması önerilmektedir. Ayrıca değişken dış sıcaklık için TS EN ISO 13790 standardında yer alan yönteme göre yapılan çözümlemenin, hangi sınırlar içinde kullanılacağı doğru belirlenerek güneş ışınımının etkisi eklenerek geliştirilmesi önerilmiştir. Binalarda enerji tüketimin doğru hesaplanması ile enerji kayıplarının önüne geçilmesi sağlanmaktadır böylece enerji verimliliği konusunda ilerleme sağlanmaktadır. Aynı zamanda yeni yapılan binaların ilk yatırım maliyetlerinin en uygun şekilde belirlenmesini ve kullanım sürecinde giderlerinin azalmasını sağlayacak bir sistem oluşturularak ekonomik anlamda kazanç sağlanması mümkün olmaktadır. Böylece hem çevresel hem de ekonomik anlamda kazanç elde edilmesi mümkün olmaktadır.
Gardırop tipi dondurucu buz yapma sistemi giriş bölgesinde sıcaklık dağılımının sayısal ve deneysel incelenmesi
Beyaz eşya sektöründeki ürün kalitesi ve verimliliğine dair beklentiler her geçen gün artmaktadır. Bu beklentilere cevap verebilmek adına birçok araştırma ve geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmada da ürün kalitesini arttırmak amaçlanıp, dondurucu dış gövdesinde oluşabilecek yoğuşmaların engellenmesi adına, hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi için kullanılan ANSYS Fluent programından yararlanılarak, gardırop tipi bir dondurucunun arka duvarında yer alan su giriş plastiği kesitindeki ısı transferi sayısal çözümleme yapılarak incelenmiştir. Sayısal modelin doğrulanması, modelde standart ısıl çiftleri temsil eden noktalardaki sayısal sıcaklık değerlerinin, deneysel ortalama sıcaklık değerleri ile karşılaştırılması sonucunda yapılmıştır. Isıl çift sıcaklık değeri olarak, dondurucunun periyodik çalışması sırasında yani kararlı haldeki ortalama sıcaklık değerleri alınmaktadır. Bu nedenle sayısal model oluşturulurken, sürekli rejim yani yüzeylerde sıcaklığın zamana bağlı değişmediği kabulü yapılmıştır. Modelin doğrulanması için yapılan deneyde, IEC 62552-2:2015 'Evlerde Kullanılan Soğutma Cihazları - Karakteristikler ve Deney Metotları' standardında yer alan su buharı yoğuşma testi baz alınmıştır, ancak deney daha ağır şartları simüle edecek şekilde uygulanmıştır. Deney, dondurucunun 25˚C sıcaklık ve %80 bağıl nem değerlerine sahip ortamda test edilmesiyle gerçekleştirilmiştir. Dondurucu içindeki kabin sıcaklık değeri -18°C olarak ayarlanmıştır. Sayısal çözümlemede, üç farklı durum için inceleme yapılmıştır. Birinci durumda su giriş bölgesi için yapılan ilk tasarım değerlendirilmiş ve dondurucunun arka duvarındaki arka kapağa yapıştırılan alüminyum bant üzerindeki sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Deneylerde ısıl çiftin bağlı olduğu su giriş bölgesi arka kapak merkezinde yani x=75.1mm'de 19.22°С bulunmuştur. Alüminyum bant üzerindeki minimum sıcaklık değeri ise x=135mm'de 19.15°С olarak bulunmuştur. Ayrıca, dondurucu arka sacında da minimum sıcaklık x=172mm'de 19.12°С'dir. Bulunan bu değerler 25°С ve %80 bağıl nem test koşulları için kritik yoğuşma sıcaklığı olan 21.31°С'nin altındadır. Sayısal çözümleme sonucuna göre bu bölgede yoğuşma olacağı tespit edilmiştir. Sayısal çözümleme sonrasında birinci durum için deneysel çalışma yapılmıştır. Deney sonucunda bulunan minimum sıcaklık değeri 19.1°С'dir. Deney sonucunda alüminyum bant ve arka sac üzerinde sıcaklık değerleri kritik yoğuşma sıcaklığının altında kaldığından bu bölgede yoğuşma görülmüştür. Deney esnasında belirli bölgelere yerleştirilen ısıl çiftlerden elde edilen sıcaklık değerleri, sayısal çözümleme sonuçları ile kıyaslanmıştır. Birinci durum çözümlemesi sonucunda, alüminyum bant üzerindeki sıcaklıklar beklenenden düşük çıkmıştır. Bu sebeple sıcaklıkları yükseltebilmek adına çözüm önerileri araştırılmıştır. İkinci durumda, ilk çözüm önerisi incelenmiştir. Birinci durumdan farklı olarak, ısı iletim katsayısı poliüretana göre daha düşük olan vakum izolasyon paneli (VIP) malzemesi dondurucu gövdesinde hava kanalı üzerine ilave edilmiştir. Böylece alüminyum bant ve arka sac sıcaklıklarının yükseltilmesi amaçlanmıştır. İkinci durum için sayısal çözümleme yapılarak, arka sac ve arka kapağa yapıştırılmış alüminyum bant üzerindeki sıcaklık dağılımı incelenmiştir. VIP ilavesi ile birlikte sıcaklık dağılımında, beklenen sıcaklık yükselmesi gerçekleşmiş, ancak kritik yoğuşma sıcaklığı olan 21.31°С'nin üzerine çıkartılamamıştır. Birinci durumdaki sıcaklık dağılımından farklı olarak VIP ilave edilen modelde x yönüne, yani hava kanalı yönüne doğru gidildikçe sıcaklık artışı görülmüştür. Ancak en kritik bölge olan su giriş bölgesinde sayısal çözümleme sonucu elde edilen minimum sıcaklık değeri x=65mm'de 20.36°С olarak bulunmuştur. VIP ilave edilerek ürün maliyeti artmış fakat sayısal çözümleme sonucu istenilen sıcaklık değerleri elde edilememiştir. Bu sebeple VIP ilave edilen model için deneysel çalışma yapılmamıştır. Son olarak üçüncü durumda, duvar sıcaklıklarını arttırmak amacıyla literatürde 'concealed', 'hot wall', 'flat-back' veya 'skin kondenser' olarak bilinen yoğuşturucu türündeki örneklerden yola çıkılarak, arka saca poliüretan içinde kalacak şekilde ısıtıcı boru eklenmiştir. Isıtıcı boru alüminyum bant kullanılarak sabitlenmiş olup, bu bant sayesinde boru içinden geçen sıcak akışkanın ısısının arka saca daha etkin bir şekilde iletimi sağlanmıştır. Üçüncü durum için de sayısal çözümleme yapılmıştır. Sayısal çözümleme sonucunda arka kapağa yapıştırılmış alüminyum bant merkezi üzerindeki sıcaklık değeri x=75.1mm'de 24.8°С bulunmuştur. Bu sıcaklık değeri kritik yoğuşma sıcaklığından yeteri kadar yüksektir. Bulunan sıcaklık değerlerinin doğrulanması amacıyla deney yapılmıştır. Deney esnasında ısıl çiftler kullanılarak yoğuşma beklenen su giriş bölgesinde sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Deneyde arka kapağa yapıştırılan alüminyum bant merkezindeki sıcaklık değeri x=75.1mm'de 24.6°С olarak bulunmuştur. Sıcaklık dağılımını görselleştirmek adına termal kamera ile ilgili bölgeden görüntü alınmıştır. Deney sonucu bulunan sıcaklık değerleri, sayısal sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Deney ile doğrulanan minimum sıcaklık değeri, kritik yoğuşma sıcaklığının üstünde olduğundan, yoğuşma bu bölgede tamamen engellenmiştir. Sonuç olarak, dondurucu arka duvar sıcaklığını arttırabilmek için sıcak duvar yoğuşturucu mantığına benzer şekilde yoğuşturucu çıkışına arka duvardan geçen boru ilave edilerek sıcaklık değerleri istenilen düzeye çıkartılmıştır, sayısal sonuçlar deneysel sonuçlar ile desteklenmiştir.
Solo soğutucularda kapı alt kapama parçasında görülen deformasyonların sayısal ve deneysel incelenmesi ve iyileştirme çalışmaları
Günümüzde kullanılan solo soğutucu ürünlerde fonksiyonel yeterliliğin ve enerji verimliliğin dışında görsel açıdan da ürünlerin yüksek seviyelere çıkması beklenir hale gelmiştir. Sadece soğutucu ürünün iç kısmında değil dışından da şıklık ve kalite olgusu aranan önemli özelliklerden biri olmuştur. Firmalar da pazardan gelen bu beklentileri karşılamak adına solo soğutucu ürünlerin kapılarının dış kısımlarına farklı renklerde cam uygulaması yaparak hatta ürünün kontrol ünitesini bu cam kapıların yüzeyine uygulanarak kullanıcılara hem estetik açıdan güzel hem de fonksiyonellik açısından daha kullanışlı ürünler sunmuştur. Firmalar, cam kapılı ürünler ortaya çıkarırken diğer ürünlerde elde ettiği tasarım tecrübesinin dışında yeni uygulamanın getirdiği bazı sınırlamaları da göz önününde bulundurarak tasarımlar yapmak durumdadır. Tasarım sınırları göz önünde bulundurularak yapılan tasarımların uygulanması sırasında öngörülemeyen başka problemler ile karşılaşılabilinir. Bu problemlerin ortadan kaldırıp sorunsuz üretim şartlarını sağlayabilmek için mühendislik yaklaşımlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Tez kapsamında cam uygulaması yapılmış solo soğutucu ürünlerin kapı açılıp ve kapı açıklığı 1400 ' ye ulaştığında kapı başka ürünlere ya da kendi gövdesine çarpmaması için durdurulur. Durdurma işlemi sağlanıp kapı açma yönünde zorlamaya devam edildiğinde kapının alt kısmında kapama plastiği üzerinde orta menteşeye yakın bölgelerinde deformasyonlar gözlemlenmiştir ve bu konuyla ilgili proje başlatılmıştır. Tez başlangıcında ilk olarak probleme etki edebilecek parçalar incelenip her biri hakkında bilgiler toplanmıştır. Problemin tekil problem olmayıp süreklilik arz eden problem olup olmadığını belirlemek amacıyla IEC 60335 Ev ve benzeri yerlerde kullanılan elektrikli cihazlar için güvenlik kuralları bölüm 2.24 – Soğutucular, dondurma makinaları ve buz yapıcılar için özel kurallar yönetmeliğine dayandırılmış aşırı germe testi uygulanması kararlaştırılmıştır. Aşırı germe testi uygulanmadan önce cihazın hazırlanması için gereken yükleme testi uygulanmıştır. Sonrasında aşırı germe testi uygulanıp test sonucu parçalar ayrı ayrı incelenmiştir. Aşırı germe test koşulları referans alınarak parçalar üzerinde sonlu elemanlar analizi uygulayıp test sonuçlarıyla birbirini doğrulama çalışması yapılması planlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda her bir parça için malzeme bilgileri, malzeme teknik verileri araştırılıp tanımlanmıştır sonrasında sonlu elemanlar analizi yapılarak deformasyonların gözlemlendiği kapı alt kapama plastik parçası ve kapı alt destek sacı parçası için incelemelerde bulunulmuştur. Aşırı germe test sonuçları ile sonlu elemanlar analizi karşılaştırılarak temel problemin tanımlanması yapılmıştır. Problem tanımı tam olarak yapıldıktan sonra solo soğutucu ürünlerin problemle ilgili kısımlarda firma bünyesi içinde bulunmuş diğer çözümler incelenmiştir ve rakip firmalardaki çözümleri incelemek adına patent araştırmaları yapılmıştır. Patent araştırmaları sırasında özellikle menteşe tasarımlarından ziyade menteşelerin kapı gövdesiyle bağlantıları ve kapı açılma sırasında oluşacak gerilmenin nasıl yayıldığı ve dengelendiğine odaklanılmıştır. Problem için çözüm önerilerine geçmeden önce doğru çalışmalar yapmak adına ve parçalar üzerinde başka öngörülmeyen problemlere sebep olmamak amacıyla plastik ve sac parçaların tasarımlarında dikkat edilmesi gereken hususlar için literatür araştırmaları yapılmıştır. Çözüme ulaşmak amacıyla tasarım önerilerine geçmeden önce parçaların tasarım sınırları belirlenip sıralanmıştır. Belirlenen tasarım sınırları göz önünde bulundurularak önce kapı alt destek sacı için tasarım önerileri toplanmıştır ve her bir öneri için tahmini kalıp maliyet analizleri yapılmıştır. Sonrasında, kapı alt kapama plastik parçası için tasarım önerileri belirlenmiş ve bu parça için tahmini kalıp maliyet analizi yapılmıştır. Toplanan tasarım önerilerinin karşılaştırılabilmesi için kapı alt kapama plastik parçası üzerinde deformasyonların görüldüğü bölgeler 5' e ayrılmış ve her bölge isimlendirilmiştir. Önce kapı alt destek sacı için verilen önerilere analiz yapılarak kapı alt kapama plastik parçası üzerindeki uzama değerleri referans alınarak belirlenen 5 bölge için yüzdelik iyileşmeler belirlenmiş ve öneriler karşılaştırılmıştır. Sonrasında kapı alt kapama plastik parçası için verilen önerilere analiz yapılarak belirlenen 5 bölgedeki uzama değerleri elde edilmiştir ve bu veriler göz önünde bulundurularak iyileştirme yüzdeleri karşılaştırılmıştır. Oluşturulan karşılaştırma matrislerinin sonucunda kapı alt destek sacının malzemesinin değiştirilip akma dayanımı daha yüksek malzeme kullanımı ve parça et kalınlığının 1 mm' ye çıkarılma önerisi en fazla iyileşmenin görüldüğü öneri olmuştur. Kapı alt kapama plastik parçası için ise en fazla deformasyonun gözlemlendiği bölgedeki adımın iptal edilip kaburgaların eklendiği önerinin en fazla iyileştirme etkisini yaptığı belirlenmiştir. Kapı alt destek sacı ve kapı alt kapama plastik parçası için elde edilen optimum çözüm önerileri birleştirilerek sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Birleştirilmiş öneriler için analiz yapılırken problemin tanımının yapılması sırasında uygulanan bütün sınır ve temas koşulları korunup sadece değişen CAD tasarımı ve malzeme bilgileri güncellenerek yapılmıştır. Bu sayede problem ve çözüm arasındaki karşılaştırmada hata oranı minimuma indirilmiştir. Yapılan analiz sonucunda problemin gözlemlendiği tüm bölgelerde yüksek oranda iyileşmeler tespit edilmiştir. Kapı alt destek sacı için verilen öneriler arasında iki çözüm önerisi için numune çalışması yapılıp mekanik testler uygulanmıştır. Yapılan testler sonucunda hem parçalar üzerindeki iyileşmleler ortaya konulmuş hem de yapılan analizlerin sonuçlarının doğruluğu teyit edilmiştir. Tez çalışması sırasında problem tanımlanırken yapılan test ve analizlerde ilk durumda kapı alt destek sacının oluşan gerilmeler sonucunda plastik deformasyona uğrayıp görevini yerine getirememesi ve oluşan momenti kapı alt kapama plastik parçasına taşıdığı ortaya konulmuştur. Bu bağlamda kapı alt destek sacı için akma dayanımı daha yüksek malzeme kullanılabileceği ve malzeme et kalınlığının artırılabileceği görülmüştür. Tez çalışmasında kapı alt kapama plastik parçasının çalışma koşullarında ilk olarak zayıf kaldığı bölgeler ortaya konuşmuştur sonrasında bu deformasyonların da görüldüğü bu zayıf bölgelerin güçlendirilmesi amacıyla tasarım değişikliği yapılıp modifikasyon uygulanarak parça üzerindeki deformasyonların ortadan kaldırılabileceği ortaya konulmuştur. Sadece problemin görüldüğü modelde kullanılan kapı alt kapama plastik parçasında değil diğer modellerde kullanılan ve ilerideki projelerde kullanılacak kapı alt kapama plastik parçalarında tez içinde faydası ispatlanmış güçlendirme çalışmaları uygulanabileceği tecrübe edilmiştir.
Düşük mach sayısında kavite içi akışın aeroakustik incelenmesi
Görece basit bir şekle sahip kavite, birçok mühendislik tasarımında karşılaşılabilir bir geometridir. Kavite akışlarına, askeri ve sivil uçakların iniş takımlarında ve yük mühimmat yuvalarında, otomobillerin kapı oyuklarında, otomobillerin ön ve arka cam boşluklarında, yüksek yapılar etrafındaki akışlarda karşılaşılabilmektedir. Basit bir geometriye sahip olmasına rağmen, kavite boyunca akış, içerisinde bulunduğu tasarım ve çevre için oldukça önemli olumsuz etkiler doğurabilmektedir. Daha yüksek sürtünme kuvvetleri, aşırı seviyelerdeki gürültü ve titreşimler, yapılar üzerinde oluşturduğu yüksek basınç kuvvetleri, kavite akışının sebep olduğu önemli problemlerdir. Örnek vermek gerekirse, uçakların iniş sırasında oluşturdukları gürültü, yükünü bırakmak için yük yuvasını açan uçağın içerisinden bırakılan cismin, kavite akışının, alan içerisinde oluşturduğu güçlü basınç, hız ve yoğunluk değişimlerinden kaynaklı yörüngesinden sapması, en önemli kavite akışı sorunlarından bazılarıdır. Kavite ön duvarında oluşmaya başlayan kayma tabakası girdap yapılarının, arka duvar ile etkileşimi, kavite içerisinde ve dışarısında ses basıncı yayılımlarına sebep olmaktadır. Arka duvarından ön duvara doğru ilerleyen ses basınç yayılımı, ön duvarda kayma tabakası ile etkileşmekte, Kelvin-Helmholtz kararsızlığının oluşturduğu akım kopma frekanslarını değiştirmektedir. Bu etkileşim, kayma tabakası kararsızlığını beslemektedir ve kavite rezonanslarının esas sebebini oluşturmaktadır. Bu fenomen Rossiter Mekanizması olarak bilinmektedir. Kendi kendini besleyen kavite salınımları oldukça popüler bir çalışma alanıdır ve hala üzerine çalışılmaya devam edilmektedir. Bu çalışmada, düşük Mach sayısında, açık bir kavite boyunca gerçekleşen akış, sayısal olarak incelenmiş ve aeroakustik analizi yapılmıştır. Akustik alan ile akış alanın etkileşimini ifade eden Rossiter mekanizması düşük Mach sayıları için anlaşılmaya çalışılmıştır. Akış, bir kanal içerisindeki kavite geometrisi boyunca gerçekleşmektedir. Doğrulama çalışmalarında kullanılan deneysel konfigürasyona uygun olarak Reynolds sayısı 4000, Mach sayısı ise 0.035'dir. Akış alanı Büyük Girdap Simülasyonu (LES) kullanılarak çözümlenmiş, sayısal sonuçlarımız deneysel veriler ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Doğrulanan akış alanı içerisindeki kaynak yüzeylerden alınan basınç değerleri akustik analojide girdi olarak kullanılmıştır. Ffowcs Williams-Hawking denkleminin basitleştirilmiş formu Curle denklemi kullanılarak elde edilen ses basınç değerleri FFT ile frekans alanına geçilmiş, SPL-Frekans spektrumu üzerinden ses seviyeleri incelenmiştir. Ayrıca bu çalışmalara ek olarak, kavite akışının sebep olduğu gürültünün azaltılması için 2 tip pasif kontrol metodu uygulanmıştır. Bunlardan ilki, kavite duvarlarına minör ölçülerde eğim verilmesi iken ikinci tip uygulama, kayma tabakasının muhtelif bölgelerine, kare kesitli küt bir cismin yerleştirilmesi olmuştur. Gerçekleştirilen analizlerin sonuçları, akustik ve akış alanı açısından karşılaştırılmış, akustik spektrumlardaki düşüşler veya artışlar incelenmiştir. Analizler ANSYS Fluent ticari yazılım kullanılarak yapılmıştır.
Buz süblimleşmesinin incelenmesi
Süblimleşme, uzun yıllardır hakkında çalışmalar yapılan, maddenin katı fazı ile gaz fazı arasındaki değişimi ifade eden mekanizmadır. Süblimleşmenin gerçekleşmesi için maddenin faz diyagramındaki üçlü noktanın altındaki koşullarda olması gerekmektedir. Süblimleşme hakkındaki çalışmaların başlangıcı eski olmasına rağmen, süblimleşme fenomeni hala güncel bir konudur. Özellikle kriyojenik soğutma, tıbbi çalışmalar, hava-uzay çalışmaları ve soğuk bölgelerdeki atmosferik çalışmalar gibi konularda süblimleşme fenomeni ön plana çıkmaktadır. Ayrıca; katı ile gaz arasındaki direkt faz değişimlerinde aktarılan enerji; katı-sıvı veya sıvı-gaz faz değişimlerindeki enerji transferlerinden daha yüksektir. Bu durum süblimleşme mantığı ile çalışan kriyojenik soğutma çevrimlerini konvansiyonel buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinden daha önemli hale getirmektedir. Hava ve uzay alanında ise çalışılan ortamlar (sıcaklık ve basınç) ekstrem koşullara sahip olduğu için süblimleşme konusunun bu çalışmalarda özel olarak dikkate alınması gerekmektedir. Literatürdeki süblimleşme üzerine yapılan çalışmalarda genellikle naftalin, katı karbondioksit ve kafur gibi oda koşullarında süblimleşen maddeler tercih edilmiştir. Ancak ortam koşullarının özel olarak şartlandırıldığı, farklı maddelerle yapılan birçok çalışma da mevcuttur. Süblimleşme çalışmalarında en çok karşılaşılan zorluklardan bir tanesi ise süblimleşme miktarının ölçülememesidir. Mevcut çalışmaların birçoğunda süblimleşme miktarını belirlemek için kütle ölçümü yapılmıştır. Ancak kütle ölçümünün mümkün olmadığı çalışmalarda süblimleşme miktarının ölçülmesi için üzerinde uzlaşılmış genel bir yöntem bulunmamaktadır. Özellikle meteoroloji ve hava-uzay çalışmaları gibi konularda çalışan bilim adamları Dünya'da veya başka bir gezegendeki bir coğrafi araziden gerçekleşen süblimleşme miktarını incelemek için kendi yöntemlerini geliştirmeye çalışmışlardır. Bu amaçla farklı ekipmanlar kullanarak laboratuvar ortamında süblimleşme ölçümleri yapmışlardır. Süblimleşme ölçümlerinde karşılaşılan bir diğer zorluk ise süblimleşme fenomeninin diğer faz değişimlerine kıyasla daha yavaş gerçekleşmesidir. Bilim adamları bu zorluğu aşmak ve süblimleşmeyi gözlemlenebilir hale getirmek amacıyla; çalışmalarında süblimleşmeyi hızlandırıcı ortam koşulları sağlamaya çalışmış veya çok hassas ölçüm teknikleri kullanmışlardır. Soğuk bölgelerde kar ve buz süblimleşmesi hakkında yapılan çalışmalar bu konuya verilebilecek örneklerdendir. Büyük bir arazinin üzerindeki veya havadaki kar tanelerinde gerçekleşen toplam süblimleşme miktarını belirlemek için birçok model ortaya konulmuştur. Ancak bu modeller tek bir kar kristali veya belirli bir kar kütlesinin süblimleşmesini ele almaktadır. Bu tez çalışmasında, bir kapalı hacim dondurucudaki buz tanelerinin, zamana bağlı ortam koşullarında, süblimleşme miktarının ölçülmesi için kütle ölçümü, analitik hesaplama ve görselleme çalışması olmak üzere 3 farklı yöntem kullanılmıştır. Çalışmanın amacı buz süblimleşmesini incelemek ve farklı parametrelerin süblimleşme miktarına etkisini gözlemlemektir. Zamana bağlı olarak değişen koşullarda süblimleşmeyi incelemek için analitik bir model ve deney düzenekleri oluşturulmuştur. Literatürde temel düzeyde çalışmaları yapılan görselleme yöntemi ile süblimleşme miktarı ölçümünün geliştirilmesi bu tez için ikincil amaç olarak belirlenmiştir. Süblimleşme miktarının ölçümünde en çok kullanılan yöntem olan kütle ölçümü, bu çalışmada da deney başı ile deney sonu arasındaki kütle farkını belirleyerek toplam süblimleşme miktarının tespit edilmesi için kullanılmıştır. Çalışmalarda yarım küre buz taneleri ve buzdolabı kalıbı ile üretilen kalıp buz taneleri kullanılmıştır. Analitik hesaplamalar için ortam koşullarına ve yarım küre geometrisine uygun olarak matematik model oluşturulmuştur. Oluşturulan model MATLAB ortamına aktarılarak kütle geçişi için bir algoritma geliştirilmiştir. Deneysel sıcaklık ve nem verileri kaydedilerek MATLAB algoritması ile yapılan hesaplarda kullanılmıştır. Yarım küre geometride, zamana bağlı süblimleşme miktarının incelenmesi için geliştirilen analitik modelin, deneysel çalışma sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Analitik modelde kullanılan Nusselt ve Sherwood bağıntıları; literatürdeki denklemler ve deneysel sonuçlardan yararlanarak elde edilmiştir. Elde edilen Nu ve Sh bağıntılarının literatürdeki çalışmalar ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Literatürdeki çalışmalarda süblimleşmenin gözlemlenmesi için önerilen periyodik fotoğraf kaydetme yöntemi, bu çalışmada süblimleşme miktarının ölçümünde kullanılmıştır. Buz tanesinin projeksiyon alanına ait fotoğraflar saatte bir kaydedilmiştir. Fotoğrafların incelenmesi için MATLAB yazılımında geliştirilen görüntü işleme algoritması kullanılmıştır. Buz tanesinin projeksiyon alanındaki değişimlerden yola çıkılarak, hacim ve kütlesindeki değişimler hesaplanmıştır. Yarım küre şeklindeki buz tanesi için görüntü işleme çalışması ile elde edilen süblimleşme sonuçlarının, analitik çalışma ve kütle ölçümü sonuçları ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Farklı parametrelerin süblimleşme miktarına etkisini incelemek için sıcaklık, hava hızı, zaman, buz boyutu ve buz geometrisi parametreleri ele alınmıştır. Kapalı hacim dondurucunun -18°C ve -24°C set sıcaklıklarında deneysel çalışmalar yapılmıştır. Yüksek hava hızında (zorlanmış taşınım) ve düşük hava hızında (karma taşınım durumu) süblimleşme miktarları incelenmiştir. Yarım küre buz taneleri ve buzdolabı kalıbında üretilen kalıp buz taneleri için süblimleşme miktarı geometrik şekil ve boyut açısından karşılaştırılmıştır. Süblimleşme miktarının zamana bağlı olarak değişimini gözlemlemek için farklı sürelerde deneyler gerçekleştirilmiştir. Dondurucu hacminde iki farklı taşınım durumu için iki ayrı deney düzeneği oluşturulmuştur. Her iki deney düzeneğine de, buz tanesi projeksiyon alanının periyodik olarak fotoğrafını çekmek amacıyla, kameralar yerleştirilmiştir. Deney düzenekleri MATLAB algoritmasının buz tanesini tanımasını kolaylaştıracak şekilde tasarlanmıştır. Deneylerde fotoğraf çekilirken gereken ortam ışığını sağlamak için, deney düzeneklerine led ışık kaynakları yerleştirilmiştir. Kaydedilen fotoğraflar MATLAB yazılımında görüntü işleme yöntemi ile incelenmiştir. Deney düzeneklerinde buz tanesi yüzeylerinden ve ortamdan sıcaklık verisi almak amacıyla K-tipi termokullar kullanılmıştır. Ortamdaki bağıl nem verisini almak için bağıl nem sensörleri kullanılmıştır. Veriler bir veri toplama sistemi ile kaydedilmiştir. Karma taşınım deneyi için; buz taneleri dondurucu ortamına yerleştirilip kapalı hacim dondurucunun hava sirkülasyonuna maruz bırakılmıştır. Anemometre ile buz tanelerinin yerleştirildiği bölgede ölçümler yapılarak, buz tanesine etkiyen ortalama hava hızı tespit edilmiştir. Farklı parametreler için Richardson sayısı hesaplanarak deney düzeneğinin karma taşınım çalışması şartlarını sağladığı belirlenmiştir. Zorlanmış taşınım deneyleri için buz taneleri kapalı hacim dondurucu içinde oluşturulan bir hava tüneline yerleştirilmiştir. Hava tüneli ise dondurucu bölmesine dikey şekilde sabitlenmiştir. Eksenel fanın farklı volt değerlerinde, hava tüneli içinde oluşan akışın homojenliğini kontrol etmek ve hava hızlarını ölçmek için PIV yöntemi kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda karma taşınım durumundaki süblimleşme miktarının zorlanmış taşınım durumuna göre daha az olduğu görülmüştür. Sıcaklık ve hava hızının süblimleşme miktarı ile doğru orantılı olduğu gözlemlenmiştir. Ancak sabit bir sıcaklıkta hava hızına bağlı süblimleşme miktarları incelendiğinde, süblimleşme miktarına etki eden hava hızı için bir limit değer olabileceği gözlemlenmiştir. Limit hız değerinin, her sıcaklık değeri için farklı olduğu; aynı zamanda sıcaklık ile limit hava hızı arasında ters orantı olduğu düşünülmektedir. Birim zamandaki süblimleşme miktarı deney süresine bağlı olarak belirgin değişim göstermemektedir. Ancak buz boyutu ilk duruma göre 20%'nin altına indiğinde süblimleşme miktarının belirgin şekilde azaldığı; zamana göre kalan kütle eğrisindeki eğimin azaldığı gözlemlenmiştir. Analitik model kullanılarak; farklı sıcaklık, bağıl nem ve hava hızlarında, yarım küre buzdan, gerçekleşebilecek süblimleşme miktarları hesaplanmıştır. Farklı taşınım durumları için; ortamdaki bağıl nem 100% olduğunda, sıcaklıktan bağımsız olarak, süblimleşme gerçekleşmediği görülmektedir. En çok süblimleşme ise ortamdaki bağıl nemin 0% olduğu kuru ortam koşullarında gerçekleşmektedir. Her iki taşınım durumunda da hava hızı arttıkça süblimleşme miktarının arttığı gözlemlenmiştir, ancak bu artışın miktarı sıcaklığa bağlıdır. Belirli bir sıcaklıktaki süblimleşme miktarı incelenirse; hava hızı ile süblimleşme miktarının doğru orantılı olduğu görülmektedir. Ancak süblimleşme miktarındaki artış hızının hava hızıyla ters orantılı olduğu da gözlemlenmektedir. Bu durum; belirli sıcaklıktaki süblimleşme miktarı için bir limit hava hızı olduğu yaklaşımını desteklemektedir. Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre; birim zamandaki buz süblimleşmesi miktarını en aza indirmek için, buz tanesi saklanan ortamdaki bağıl nemin yüksek ve sıcaklık değerlerinin düşük olması gerektiği gözlemlenmiştir. Tek buz tanesinin süblimleşme davranışını inceleyen bu çalışma, farklı buz tanelerinin birbiri ile etkileşimini incelemek için temel oluşturacak niteliktedir.Oluşturulan matematik model ve görüntü işleme algoritması farklı maddeler için yapılan süblimleşme çalışmalarında da kullanılabilecektir. Ayrıca geliştirilen görüntü işleme algoritmasının filtre özellikleri düzenlenerek, görselleme gerektiren farklı uygulamalarda da kullanılabilecektir.
Manual transmission synchronization simulation of a heavy duty commercial vehicle and correlation with objective shift quality measurements
Gear synchronization performance defines the required force to be applied on gear knob, shifting time and gear knob travel. Heavy commercial vehicles (HCV) can be equipped with manual or automated transmissions. During the operation of both manual and automated transmissions, several shiftings are required as more than 8 up to 16 gears available on geartrain. Since, smooth and easy shifting are the critical asserts for the transmissions, technical investigations and developments on this field frequently performed. The analytical methods performed to analyze the performance of the shifting and synchronizer systems with different approaches. Moreover, objective measurement methods both applied to synchronizer itself and total shifting system including the numerical findings are available. In this study, manual transmission and gear synchronization performance have been investigated. The system selected for the study contains a 16 speed servo supported manual transmission and a gear shift cable mechanism. The synchronization process has a specific charachteristic that the physical contacts and regimes change step by step. During a gear synchronization, there are 8 main steps which are first free fly, start of angular velocity synchronization, angular velocity synchronization, turning the synchronizer ring, second free fly, start of the double bump, gear clutch turning and final free fly. Therefore, a model created to analyze the performance of the synchronization by seperating the equations and approaching all phases as a singular model. The performed numerical analyze contains the general physical properties of the system elements which enables modelling the physical system with axial and angular moment and force equilibrium equations. A MATLAB script has been performed to apply the mathematical equations prepared for all 8 synchronization phases. The ODE's (Ordinary Differential Equations) derived for the model has been solved with MATLAB using ODE solvers then. The input parameters are defined according to system properties and boundary conditions. As a verification for the model, main synchronizer parameters of cone angle, ring coating material and shifting system parameters of total mechanical ratio and cable efficiency have been modified to confirm the model success. The GSQA (Gear Shift Quality Assesment) method and test equipment is widely used in industry to evaluate shifting system and synchronizer performance from the transmission vehicle applications. Therefore GSQA tests have been performed for numerical analyze setup to provide objective data for the study. Afterwards, analytical model has been validated with the support of these objective test results that model enabled to be used as a prediction tool. At the end, different properties of the synchronizers and shifting system evaluated with the model analyzes to understood the effects of the changes of these parameters to the performance. The main parameters of cone angle, applied shift effort and ambient oil temperature have been analyzed with the simulation that the results are as expected. The increase of the ambient temperature decreases the shifting time with a minor effect and the decrease of the cone angle improves the shifting time and finally by increasing the shift effort applied to the gear knob the shift time again decreases according to the simulation based on the mathematical model.
NVH and structural analysis of shift cable holder bracket
NVH (Noise, Vibration and Harshness) fundamental defines undesirable sound, tactile sensation and subjective impression from particular characteristics of the noise/vibration. Due to legislation and customers' noise sensitiveness increasing with design of more quiet vehicles (increased sound quality) NVH studies became a very significant goal day by day. Confliction of development time, cost etc. and the design of vehicle with good sound quality is major engineering problem. In example of important engineering working for powertrain NVH engineers is not only check the good sound quality but also perception of sound from driveline should be met with customer expectation. In this NVH study, the produced test vehicle will check for focusing of powertrain NVH side especially to transmission and external control system. Data collection from test vehicle will be described with field test and tool specifications. After subjective evaluation "Knocking noise happens especially between 1100 - 1500 rpm" reported and to solve this issue the source identification will be performed from objective data that shows the source of abnormal noise is shift cable holder bracket. Transfer path can be described as shifter cable bracket (source), shifter cable, shifter box and shifter arm. To understand NVH characteristic of shift cable holder bracket experimental modal analysis (hammer excitation test) has been performed to two production brackets from different production batch. Mode frequencies are reviewed different at two brackets hypothesis has been done according to connection stiffness of the bracket mode shapes can be reviewed at different frequencies. Thus computational modal analysis accoplished with Altair Hypermesh and ABAQUS softwares to compare of experimental modals and computation modal, and it is verified experimental modal and computation modal is matched with good connection stiffness. In addition, hypothesis is also verified with lack of connection stiffness can affect mode shape frequencies at computational analysis. NVH solution is also suggested with reinforced bracket design and it is verified with computational analysis and prototype part at vehicle. Furthermore, structural durability analysis performed with comparasion of baseline and reinfored bracket design to double check that proposed design is better than in aspect of the sound quality and structuraly. Structural durability analysis is done with ABAQUS software with data that data mesh and connection stiffness verified computational modal analysis and it is carried out according to fatigue life criteria of Von Mises.
Noise and friction characteristics of polymer ball bearings
Polymer bearings are preferred in certain areas due to their superior properties to metal bearings. They have high corrosion and chemical resistance, they are light, they can work without oil. In addition to this, low friction coefficients and high vibration damping properties are the advantages that polymer bearings stand out. With these qualities, it becomes widespread in areas where the use of metal bearings such as the medical and food industry is not suitable. However, despite the advantages of polymer bearings, there are also negative aspects that limit working conditions. Polymer materials have lower temperature resistance than metal materials do. For this reason, changes in temperature, speed and loading conditions can change the tribological behavior of polymer bearings. The complex relationship of the friction behavior of polymers with temperature, speed, and load makes it necessary to test with various conditions in order to understand the running behavior of polymer bearings. In this experimental study of ball bearings made of polymers, variation in friction moment and noise characteristics in different operating conditions are of interest. Three types of polymer ball bearing were tested at three different rotational speed, four different temperature value, and three different radial loading condition. There are two aspects considered in this study: How the working conditions (i.e. speed, load and temperature) affect the sound pressure level and friction torque of the polymer ball-bearing; the effect of the material content of the components of the ball bearing on the sound pressure level. The three types of bearings used to examine the material effect in the study are: 1) POM rings, steel ball, and PA cage; 2) POM rings, glass ball, and PA cage; 3) PEEK rings, steel ball, and PA cage. The influence of the ball material was investigated by comparing the noise characteristics of the bearing-1 and the bearing-2. The effect of ring materials was investigated by comparing the data of bearing-1 and bearing-3. The operating speeds were selected as 450 rpm, 900 rpm, and 1300 rpm. The determination of the test loads was made by calculating the light, medium and heavy load zones according to the dynamic load capacity given in the manufacturer's catalogue of the polymer ball bearings. The temperature conditions were chosen to remain within the working range of the polymer materials. The test temperatures were T0 (22ᵒC±3ᵒC), T1(50±5ᵒC), T80(100±5ᵒC), and T2(100±5ᵒC). Also, B3 was tested under T3(135ᵒC±5ᵒC) condition as its ring material PEEK and resistant to higher temperatures than POM. A test apparatus was designed in order to carry out the experiments. In the apparatus, the shaft to which the polymer bearing was mounted was driven by an electric motor. It was aimed to reduce the effect of possible axial misalignment by placing a flexible coupling before and after the moment sensor at the motor output. The shaft was supported by two ball bearings. The polymer test bearing was mounted into the bore of an aluminum hub. The polymer test bearings were heated up to the desired temperature levels by heating the aluminum hub. The aluminum hub has four bores for the purpose of fixing up the flat cartridge heaters. It has also hook having a screw which enables us to apply a radial load on bearing. The temperature measurement was performed with a K-type thermocouple placed in the hole from outside of the aluminum hub to a distance close to the outer ring of the polymer ball bearing. An acoustic box having 85x170x170 cm dimensions had been used for sound level measurements. The acoustical box isolates the test bearing from the environmental sound which is over 400 Hz. Sound pressure level measurements were carried out between the frequency of 6,3 Hz and 12,5 kHz in a 1/3-octave band with a hand-held sound level meter fitted with a ½ "microphone. The test bearing and the aluminum hub were inserted into the acoustic box. The sound level meter was placed on a tripod so that the sound level meter will measure from a fixed point of the acoustic box. In addition, the torque sensor connected to the motor output was used to measure the torque fluctuations due to the friction. As a result of the study, the changes in the sound pressure level and friction torque were compared, and the reasons were interpreted. For this purpose, theories and studies related to the tribological properties of polymers were utilized. However, the effect of operating conditions on tribological properties as well as bearing dynamics was taken into account in the change of sound pressure levels. The first and clear finding of the study was that the sound pressure level increases with increasing speed in all frequency bands and all temperature conditions for each bearing in accordance with the information in the literature. The second parameter of the study was radial load. The bearings were radially loaded. It was observed that radial load did not have a significant effect on sound pressure levels of bearings. However, SPL of the polymer bearings increased with increasing radial load. After a point, the rate of increase decreased and remained almost constant. A difference was obtained in the SPL values of B1 and B2 at T2 (100 ᵒC). This differentiation of the curves in B1 and B2 bearings at T2 was not considered correct since the bearing disabled its function when it loaded radially at 100ᵒC. The third parameter which was the temperature didn't have a direct and simple relation with the sound pressure levels of the bearings. Temperature effect was evaluated at different rotating speeds. While B1 and B3 reacted nearly in the same way B2 was differentiated by its inconsistent and incomprehensible results. The B3 bearing which consists of PEEK rings and steel balls had the highest SPL values at all rotational speeds and temperature values. In addition to this, having glass balls made the SPL values increase at higher rotational speeds.
Oklu kren tasarımı ve sonlu elemanlar metoduyla analizi
Yük kaldırma ve taşıma işlerini yerine getiren makinalardan olan krenler, ağır endüstride, limanlarda, tersanelerde, depolarda kullanım alanı bulmaktadırlar. Kren çeşitlerinden en çok karşılaşılanlar köprülü krenler, portal krenler, oklu krenler ve mobil krenlerdir. Kren tasarımı yaparken, krene etkiyen çeşitli yükler dikkate alınmalıdır. Taşınacak yükün ağırlığı, krenin zati ağırlığı, haraketten doğan dinamik yükler ve rüzgar yükleri kren yükleri olarak sıralanabilir. Bu yüklerin tesirlerinden başka, yapının titreşim etkilerine göre analizinin yapılması da uygun bir tasarım açısından gereklidir. Analizler, kısa süreler zarfında en uygun sonuçlara ulaşmak amacıyla sonlu elemanlar metodu kullanılarak yapılabilmektedir. Tez çalışmasında, limanlar ve tersanelerde çeşitli malları kaldırmak ve taşımak amacıyla kullanılan oklu kren tasarımı yapılmıştır. Tasarımı yapılan 60 m. x 50 ton kapasiteli kren, raylar üzerinde hareket edebilmekte ve döner platforma bağlı ok parçası vasıtasıyla çeşitli malları istenen yere taşıyabilmektedir. Çalışmada öncelikli olarak, kren ve kren çeşitleri hakkında genel bilgiler verilmiştir. Sonrasında, krenin çeşitli tasarım adımları ile nihai halini alan kren geometrik modeli oluşturulmuş, bu modeli oluşturan parçalar tanıtılmış ve tasarımla ilgili hususlar aktarılmıştır. Bu kısımları takiben, FEM ve DIN standartlarına göre kren sınıflandırılması yapılmış, kren tasarımı ile ilgili analitik hesaplamalar irdelenerek gerekli değişiklikler gerçekleştirilmiştir. Kren denge hesapları, kren parçalarının boyutlandırılması, gerekli seçili motor güçlerinin hesapları, halatların seçimi için yapılan hesaplar analitik hesaplamaları oluşturmaktadır. S.E.M ile tasarımı yapılan kren, bu metodla elde edilen sonuçların doğrulamalarının yapılması gerekmektedir. Bu sebeple, kren sehim sonuçlarının, gerilme analizi sonuçlarıyla birlikte Rayleigh-Ritz metodu ve Euler-Bernoulli kiriş teorisi vasıtasıyla da eldeleri sağlanabilmektedir. Ayrıca, Rayleigh metodu sayesinde yapının ilk doğal frekansının eldesi karmaşık olmayan çalışmayla ortaya konabilmektedir. Beşinci bölümde, teorik açıdan yukarda bahsi geçen konuların bilgileri ve prosedür adımları aktarılmıştır. İlerleyen bölümde ise S.E.M yazılım paketi ANSY hakkında bilgiler verilmiş ve basit geometride bir kirişin S.E.M ile çözümü ve Euler-Bernoulli kiriş teorisi vasıtasıyla da doğrulama çalışması yapılmıştır. Yedinci bölümde, değişken kesitli parçalardan oluşan ok parçasının, zati ağırlıktan ve yükler altındayken analizleri gerçekleştirilmiştir. Ok parçasının Rayleigh-Ritz metoduyla sehim ve Euler-Bernoulli kiriş teorisi yardımıyla sehim ve gerilmeleri elde edilmiştir. İlgili sınır koşullarında ve yüklerde S.E.M analizi yürütülmüş ve ok parçası için sonuçlar bulunmuştur. Sonrasında, taşıyıcı gövdenin S.E.M analizleri yine sınır koşulları ve yükler etkisinde gerçekleştirilerek bölüm tamamlanmıştır. Sekizinci bölümde, titreşim analizleri irdelenmiştir. S.E.M ile yapılan ok parçasının modal analizinin doğrulaması ise Rayleigh metoduyla yapının ilk doğal frekansının eldesi ile sağlanmıştır. İlk doğal frekansa karşılık gelen titreşim modu eğilme modudur ve bu modun titreşim analizi açısından en önemli mod olduğu anlaşılmaktadır. S.E.M modal analiz ile ilk on iki modun doğal frekansları ve bu doğal frekanslardaki mod şekilleri elde edilmiştir. Modal analizi takiben harmonik analiz yapılarak, yapının frekans cevabı fonksiyonu bulunmuştur. Son bölümde, sonuçlar yorumlanmış ve bazı önerilerde bulunulmuştur. Rayleigh-Ritz, Rayleigh metodlarıyla bulunana sonuçlar S.E.M sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. S.E.M sonuçlarından sapmalar verilmiş ve görülmüştür ki doğrulama amacıyla kullanılan metodlar iyi yaklaşımlıkla sonuç vermektedirler. Yapılan çalışmaların tasarım ile ilgili sonuçları aktarılmış ve tasarım için yapılan seçimlerden söz edilmiştir. Çalışma neticesinde elde edilen veriler göstermektedir ki; S.E.M sonuçlarını doğrulamak amacıyla Rayleigh-Ritz ve Rayleigh metodlarının kullanılması uygundur. S.E.M analizleri ile tasarım yapılması, hem zaman kazanımı hem de bazı tasarım unsurlarının daha kolay tespit edilmesini sağlamaktadır. Bu sebeplerden ötürü, sonlu elemanlar metodunun pratik ve güvenilir bir tasarım aracı olduğu anlaşılmaktadır.
Taşıt titreşim kaynağı tespit yöntemleri ve uygulaması
Bu çalışmada bir taşıt titreşim probleminin kaynağını tespit etmek için yapılması gereken temel kontroller ve teorisi anlatılmış; daha sonra da 8x8 bir askeri araçta görülen titreşim probleminin tespitinde bu yöntemlerin uygulaması gösterilmiştir. Literatür araştırmalarından elde edilen veriler doğrultusunda, taşıtların titreşim kontrolünde öncelikle, temel titreşim kaynağı motor olduğu için; motora doğrudan bağlı parçaların doğal frekansları kontrol edilir. Motor tahrik frekansı aralığında bir doğal frekans olmamalıdır, aksi takdirde motor tahriğinden kaynaklı olarak rezonans meydana gelebilir. İkinci temel kontrol, güç aktarma elemanlarının burulma titreşimleri ile ilgilidir. Tahriğin başladığı yer olan motordan, taşıt hareketinin oluştuğu tekerleğe kadar olan tüm dönen elemanların, burulma yönündeki doğal frekansları kontrol edilir. Problemin hissedildiği frekans aralığında rezonansa sebep olacak bir burulma modunun olup olmadığı tespit edilir. Çalışmada bahsedilen diğer bir kontrol ise motor ve şanzıman ikilisinin gövde bağlantı takozlarının titreşim geçirgenlik analizleridir. Burada, takozların titreşim sönümleme işlevlerini ne kadar yerine getirebildiği tespit edilir. Takozların taşıdığı kütle, kütle merkezinin konumu, takozların bağlantılarının rijitliği ve bağlantı bölgesinin rijitliği takoz geçirgenliğini etkileyen parametrelerdir. Takozun iyi bir sönüm yaptığını söyleyebilmek için takoz bağlantısının aktif ve pasif tarafından alınan ivme ölçümlerinin arasında en az 10 – 15 dB kadar fark olmalıdır. Tüm bu yöntemler, bir 8x8 askeri aracın titreşim probleminin kaynağını tespit etmek üzere uygulanmıştır. Bu uygulamalar sırasında, motor bağlantıları ve motora direkt bağlı parçaların doğal frekansları motor tahrik frekansı aralığının dışında hesaplanmıştır. Güç aktarma organlarının burulma modları da benzer şekilde, titreşim probleminin hissedildiği frekans aralığı olan 70 – 100 Hz arasında saptanmamıştır. Son olarak, güç paketi bağlantı takozları geçirgenlik analizi için, motor kompartımanının sonlu elemanlar analiz modeli genişletilerek bölgenin rijitliği gerçeğe en yakın olacak şekilde modellenmiştir. Gerçekleştirilen frekans cevap analizleri sonucunda takozların aktif ve pasif bölgelerinin frekans cevap fonksiyonları elde edilmiştir. Bu fonksiyonlar karşılaştırıldığında sağ ön takoz bağlantısında 70 – 100 Hz arasında negatif geçirgenlik oluştuğu gözlemlenmiştir. Analizlerden elde edilen bu geçirgenlik problemini fiilen de tespit etmek ve analiz modelinin test ile korelasyonunu sağlamak için operasyonel ve statik bazı testler gerçekleştirilmiştir. Operasyonel testler sırasında güç paketi takozlarının aktif ve pasif bölgelerinden toplanan ivme değerleri karşılaştırıldığında; analizdekine benzer şekilde, sağ ön takozda 70 – 100 Hz aralığıda negatif geçirgenlik görülmüş, ve bu frekans aralığında gövdede hissedilen ivme değerlerinde de artış görülmüştür. Statik olarak gerçekleştirilen modal testlerde de görülen sağ ön takoz bölgesinde 70 – 100xx Hz'de görülen doğal frekans bu bölgede bir rezonans olduğunu doğrulamıştır. Ve ivme değerlerinin artış gösterdiği bölge şanzıman çıkış devrine göre 2.mertebe üzerinde görüldüğünden; rezonansı tahrik edenin şazıman çıkış şaftının bağlantı açısı tasarımı olduğunu işaret etmektedir.
Numerical aeroacoustics investigation of the effect of axial gap length between the rotor and stator of a transonic compressor stage
Modern civil aviation regulations stipulates the commercial airline companies not to exceed certain noise levels in the neighbourhood of airports which are generally located in the city. Strict noise regulations requires detecting the noise generations of the aircraft engine and applying an appropriate design or treatment of the engine component accordingly. The main noise generation mechanisms of the aircraft engines are inlet turbofans, compressor stages, turbine stages, combustion and jet flow. Each component contributes their own effects on the noise spectrum of an aircraft; however, the primary noise sources in modern high by-pass pressure ratio aircraft engine is the turbofan among them. Turbofan noise, which constitutes the largest part in the engine noise spectrum, radiated in both upstream and downstream on the engine. However, the other sources, which are compressor stages, turbine stages, combustion and jet noise, radiate only in one direction. The turbofan, compressor stages and turbine stages are axial turbomachinery applications. That is why, the largest component of the aircraft engine noise sources is turbomachinery originated. In order to keep the engine noise emission under the required level the flow physics of the turbomachinery should be profoundly understanded and new designs should be formed accordingly. Two main components of the turbomachinery noise are discrete (tonal) and broadband noise. The discrete noise appears at certain frequencies (e.g. balde passing frequency), while broadband noise covers the whole noise spectrum. The discrete noise is generally originated from the interactions of the turbomachinery components like rotor and stator. It stems from the stator potential field on the rotor blades and rotor wake interaction with the stator vanes. However, the broadband noise arises from the turbulent content in the flow domain. In this study, discrete (tonal) noise generation of the transonic axial compressor turbomachiney application was studied. NASA Stage 37 test case was selected as the transonic axial compressor stage. The most significant tonal noise generation mechanism of the axial turbomachinery which is the rotor-stator interaction was investigated. The magnitude of the axial gap between the compressor rotors blades and stator vanes are the primary factor of the rotor-stator interaction. The smaller the gap is, the intenser the rotor-stator interaction becomes. That is why, in order to observe the effect of the axial gap length on noise generation, the flow field of the compressor with three different axial gap length was investigated. Computational fluid domain model of the transonic compressor stage with three different axial gap between the rotor and stator was formed. Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes Equations (URANS) analysis of three models were carried out. For the nearfield acoustic propagation unsteady pressure profiles were directly extracted from the URANS simulations. For the farfield acoustic propagation the usteady rotor and stator blade pressure values were imported an acoustic solver. The computational fluid dynamics results shows that the potential field between the rotor blades and stator vanes and interaction of the rotor wake and stator vanes strongly decayed as the axial gap between the rotor and stator blade incerases. This resulted in an observable reduction in the tonal noise generation at blade passing frequencies (BPF) and its higher harmonics.
Taşıt disk ve fren sıvı sıcaklığının tahmini için bir model geliştirilmesi
Fosil enerji kaynakları gün geçtikçe tükenmekte ve enerjiye olan talep sürekli olarak artmaktadır. Toplumda artan çevre bilinci, gerek ulusal olarak gerekse uluslararası komitelerin almış olduğu kararlar ile temiz ve yaşanılabilir bir çevre için çalışmalar yürütülmektedir. Otomotiv üreticileri de çevre duyarlılığı, zaman ve maliyet gibi nedenlerden dolayı yeni tasarımların doğrulama süreçleri için alternatif yöntemler arayışındadır. Artan müşteri beklentileri, hızla değişen teknolojiye ayak uydurma çabası, farklı bir sektörde geliştirilen bir yeniliğin otomotiv sektörüne uygulanması için hızlı, doğruluk payı yüksek ve güvenilir yöntemlere ihtiyaç duyulmaktır. Artan müşteri beklentileri ile araçların taşıma kapasitelerinde artış meydana gelmekte, bu artış da frenleme sırasında ısıya dönüşecek enerji miktarının artmasına neden olmaktadır. Aynı zamanda yakıt tüketimini düşürmek için aracın dış tasarımında yapılan değişiklikler fren disklerine gelen hava debisini azaltmaktadır. Azalan hava debisi ile diskler üzerinden havaya aktarılacak ısı azalmaktadır. Artan fren disk sıcaklıkları sürücünün ve trafiğin güvenliği olumsuz yönde etkilemektedir. Bu tezin yazımında geçmiş çalışmalardan, araca etki eden sürtünme kuvvetlerinden, fren sisteminin çalışmasından, taşıtının ve fren sisteminin ısı akışından bahsedilmiş, bir taşıtın fren disk ve fren sıvı çalışma sıcaklıklarını, projenin başlangıç aşamasında hesaplayabilecek bir matematiksel modelin ortaya konulması hedeflenmiştir. Bu bağlamda matematiksel modelde ihtiyaç duyulan teknik hesaplamalar yapılmış, üretici firmalardan gerekli teknik veriler toplanmış, matematiksel modelin çıktılarının desteklenmesi amacıyla araç testleri ile karşılaştırması yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucu oluşturulan matematiksel model sayesinde istenen test çevrimi, taşıt özellikleri ve fren diski için zamana bağlı çalışma sıcaklıkları hesaplanabilmektedir. Yapılan çalışma ile projenin tasarım aşamasında fren disk sıcaklıkları tahmin edilebilmekte, ihtiyaç duyulan değişiklikler parça fiziken üretilmeden yapılabilmekte en uygun çözüm için gerekli tasarım prototip - kalıp maliyetleri oluşmadan tamamlanabilmektedir. Aynı zamanda araçla ilgili sağlanacak ek verilerle fren disk sıcaklıklarının frenleme performansına yapacağı etkiler görülerek regülasyonun sağlanmasını zorunlu kıldığı frenleme performansı için öngörüde bulunulabilecektir. Tez kapsamında öncelikle bir rotadaki disk ve fren sıvısı sıcaklığı doğru şekilde tahmin edilmeye çalışılmış ve gerçek test sonuçları ile kıyaslama yapılmıştır.
Estimation of vehicle and load conditions of a truck for fatigue estimation using real time numerical algorithms
The thesis provides the infrastructure for intelligent vehicles, and in an ARDEB project, it has been studied to provide information on the mass of the vehicle and the parameters of the vehicle which will determine the amount of fatigue on the relevant parts of the vehicles. Intelligent vehicles are generally studied for passenger vehicles. Vehicle and cargo estimates have been worked on this work for 6-wheel heavy trucks. Furthermore, when the instrumentation costs for estimating real-time vehicle parameters are high, this study could create a low-cost estimation system for experimental conditions. In this study, we focused on real time estimation of load conditions and vehicle parameters for 6x4 heavy-duty vehicles. It is known that vehicle dynamics are important parameters for vehicle vibration. Main aim is required accurate information to sensitive results. We have to know vehicle dynamics parameters e.g. center of gravity vertical displacement, roll and pitch angle. In this study it is considered that the vehicle is a 3-axle, 6-wheel, 4-drive wheel, and heavy-duty truck with leaf spring suspensions. When all this is calculated, our motion point is the basis of vehicle dynamics and vibration information. It is known that when the vehicle is in motion an oscillation will occur in all axle-wheels. If the oscillation information is obtained at 6 points of the vehicle, serious data about the general condition of the vehicle is provided. These oscillations will occur against the overall rigidity of the vehicle. Said oscillations are the displacement quantities of the suspensions. A total of 6 accelerometers are placed on each of the 3 axles to determine these displacement quantities. The first axle is connected to the midpoint of the front scissor suspension, while the second and third axles are connected to the end points of the rear scissor suspension. The acceleration data coming from the axle heads will be related to the acceleration data obtained in the other part of the project, and two integrations at the time base will provide the suspension displacement information. Also, our heavy-duty vehicle has three axles and six tires. We need to collect suspension deflection for each tire. But our type of trucks has leaf spring suspension due to heavy duties. We know that leaf spring suspension has not potentiometer to get deflection information. To get the deflection information, we are going to acquire acceleration from on each end of each axle via transducers. And acceleration information has double numerical integration. At this result of the calculation, the displacement data is obtained. Also, we have acceleration data from leaf spring located on chassis point from another project level. Thanks to this information, we could calculate the suspension deflection. Energy equations are obtained by using Lagrange energy method and then motion equations are obtained. These motion equations are written in matrix form. Time Discritization – Numerical Integration and Kalman filter are used to created algorithm. Other solution algorithm is written using Newmark method. Simulink model is also created. And these solutions are compared to each other. We build Adams/Car Model for our 6x4 heavy duty truck. Adams/Car presents different analysis opportunities to estimate different vehicle variation. We need to accelerations and displacements of hub simultaneous road to correlation our algorithm. Because, we have not simultaneous hub and suspension deflection information. Due to that problem, we need to create our sanal data to could feed to Simulink model and algorithm.
Hafif ticari araçlar için tasarlanan plastik yağ karterinin darbe dayanımının sonlu elemanlar yöntemiyle analizi ve sonuçların darbe testleriyle kıyaslanması
Günümüzde küresel ısınmanın etkileri hayatımızı ve geleceğimizi büyük ölçüde tehdit etmeye başlamıştır. Bu sebeple küresel ısınmaya sebep olan faktörlerin giderilmesi için dünya çapında yeni önlemler alınmaya başlanmıştır. Küresel ısınmanın en büyük sebeplerinden bir olarak içten yanmalı motorların kullanıldığı otomobiller görülmektedir. İçten yanmalı motorların çevreye saldığı zararlı gazların azaltılması veya tamemen kaldırılması için çeşitli önlemler alınmaya başlanmıştır. Bunlardan en önemlisi olarak bir taraftan elektrikli araçlar göze çarparken diğer taraftan içten yanmalı motorların daha az zararlı gaz emisyonu salması için motor ve araçlar üzerinde yapılabilecek düzenlemeler göze çarpmaktadır. Araç ve motor üzerindeki iyileştirmeler arasında en önemli payı motorun verimini arttırmak için devreye alınan yeni teknolojiler ile ağırlık azaltma çalışmaları almaktadır. Ağırlık azaltma çalışmaları kapsamında yeni malzemeler kullanılarak parçanın dayanımından ödün vermeden daha hafif araçların tasarlanması amaçlanmaktadır. Motor yağını içinde bulundurması sebebiyle önemli bir göreve sahip olan yağ karterleri araçlardaki ağırlık azaltma çalışmalarına dahil olan motor parçalarından biridir. Yağ kartelerinin tarihsel gelişimine bakıldığında ilk olarak dökme demirden yapıldığı görülmüştür. Daha sonra demir yerine alüminyum kullanılarak önemli oranda ağırlık azaltması gerçekleştirilmiştir. Günümüzde ise alüminyum döküm karterlerin yanı sıra derin çekme çelik sac karter yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Çelik malzemesinin özkütlesi aluminyumdan fazla olmasına rağmen daha düşük et kalınlığından ötürü önemli miktarda ağırlık düşürme avantajı sağlanmıştır. Son olarak ise bir çok araç parçasında yerini almaya başlamış olan plastik malzemesi için bir çok araç üreticisi tarafında çalışmalara başlanmış ve bazıları da araçlarında plastik karter kullanımına geçmişlerdir. Araç ve motor parçalarında malzeme değişiklikleri yapılırken parçanın dayanımında herhangi bir problem olmamasına dikkat edilmektedir. Yağ karteri için yapılacak herhangi bir malzeme değişikliğinde de karterin görevini yapması için sahip olması gereken, darbelere ve yüksek yağ sıcaklığına dayanması gibi özellikler muhafaza edilmelidir. Bu tez çalışmasında ise ağırlık hafifletme kapsamında hafif ticari araçlarda kullanılan derin çekme çelik sac karterin yerini alması için tasarlanan plastik karterin yoldan gelebilecek taş darbelerine karşı olan dayanımı incelenmiştir. Çalışmada karterin üç boyutlu modeli üzerinde sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak çapma analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler karterin farklı et kalınlıklarına ve farklı rib varyasyonları sahip olduğu durumlar için ayrı ayrı yapılarak bu bileşenlerin etkileri incelenmiştir. Bunun yanı sıra farklı darbe lokasyonları belirlenerek bu bölgeler için de analizler gerçekleştirilmiştir. Bütün analizler iki farklı plastik malzeme için yapılarak farklı özelliklere sahip plastik malzemelerin darbe davranışları da karşılaştırılmıştır. Elde edilen analiz sonuçlarında darbe özellikleri geliştirilen ve malzeme üreticisi tarafında yağ karterleri için özel olarak üretilen plastik malzeme diğer malzemeye göre daha yüksek darbe dayanımı göstermiştir. Ayrıca rib varyasyonlarının incelendiği analiz sonuçlarında daha sık olarak atılan riblerin dayanıma olumlu etkisinin olduğu gözlemlenirken, ana duvar et kalınlığının artmasının karterler için özel olarak üretilen malzeme için çok önemli bir iyileşmeye sebep olmadığı gözlemlenmiştir. Diğer malzeme için ise ana duvar et kalınlığının artması dayanıma ufak da olsa katkı sağlamıştır. Çalışma kapsamında ise son olarak analiz sonuçları neticesinde uygun bulunan model plastik enjeksiyon yöntemiyle üretilerek, ağırlık düşürme testi için özel olarak tasarlanmış test düzeneğinde gerçek testlere tabi tutulmuştur. Testlerde analizlerde kullanılan her iki plastik malzemeden üretilen yağ karterleri kullanılmıştır. Test sonuçlarının büyük kısmında analiz sonuçlarıyla uyuşmalar gözlemlemiştir. Çalışmanın sonunda analiz ve test sonuçları göz önünde bulundurularak darbe dayanımı açısından ciddi problem gözükmeyen malzeme için modelin zayıf yerlerinin biraz daha güçlendirilip seri üretime geçilme kararı alınmıştır.
Laboratuvar ölçekli yeraltında kömür gazlaştırma reaktörünün hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile yapay gaz üretiminin analizi
Yeraltında kömür gazlaştırma işlemi, kömür cevherinden, geleneksel madencilik yöntemlerinden farklı bir şekilde, yanıcı gaz elde edilerek faydalanılmasını sağlayan bir teknolojidir. Bu yöntemde, yeraltındaki kömür damarına sondaj yapılarak, sırasıyla, besleme kuyusu ve üretim kuyusu olarak isimlendirilen iki adet kuyu açılmaktadır. Besleme kuyusudan gazlaştırma ajanı olarak adlandırılan hava, saf oksijen, su buharı, karbondioksit veya bunların karışımından olan gazlar gönderilmektedir. Beslenen gazlar yeraltındaki kömür ile yanma ve gazlaşma tepkimelerine girerek kömürden ikincil bir yakıt elde edilmesini sağlamaktadır. Yapay gaz olarak adlandırılan bu ikincil yakıt ise üretim kuyusundan toplanarak yüzeye çıkartılır. Üretilen yapay gazın içeriğinde büyük oranda CO2, CO, H2 ve CH4 görülmektedir ve bu içerik sayesinde enerji ve hammadde kaynağı olarak çeşitli endüstriyel işlemlerde kullanılmaktadır. Yeraltında kömür gazlaştırma işlemi özellikle madenciliği ekonomik olmayan kömür yatakları için gelecek vaat etmektedir. Ancak YKG işlemi kontrolü zor ve çıktıları zamana bağlı olarak değişen bir süreçtir. Ayrıca işlem çıktıları kömür ve kömür yatağının özelliklerine göre büyük oranda değişmektedir. YKG işlemindeki bu değişkenliğin, çıktıların tahminini zorlaştırdığı açıktır. Süreç tahminini kolaylaştırmak için pilot denemeler ve saha deneyleri yapılmaktadır. Ancak bu deneme çalışmaları pilot ölçekli tesis kurulumu gerektirdiği için oldukça maliyetlidir. Saha deneyleri yerine son yıllarda laboratuvar ölçekli YKG deney tesisatları kurularak düşük maliyetlerle çeşitli kömürlerin YKG işlemine ve işlem parametrelerine etkisi ölçülebilmektedir. Tüm bu deneysel çalışmaların yanında YKG işlemi için matematiksel model geliştirme çalışmaları da yürütülmektedir. Matematik modeller sayesinde deneysel çalışmalarla da elde edilmesi mümkün olmayan veriler elde edilebilmektedir. Bunun yanında farklı işletme parametreleri de daha hızlı ve az maliyetle test edilebilmektedir. Bu tez kapsamında yeraltında kömür gazlaştırma işlemi için süreç sırasında görülen kinetik reaksiyonları kullanan 2 boyutlu, zamana bağlı matematik model geliştirilmiş ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile matematik modelin çözümü elde edilmiştir. YKG işleminin gerçekleştiği kömür bloğu gözenekli olarak modellenmiş ve kömür içerisinde gerçekleşen kuruma, piroliz, homojen ve heterojen reaksiyonlar model içerisinde yer almıştır. Kömürün gözeneklilik değeri, kömürün nem, kül, uçucu ve sabit karbon içeriğine bağlı olarak değişken ele alınmıştır. Böylece, reaksiyonlar neticesinde gerçekleşen kömür tükenimi modellenmiştir. Bu kömür tükenimi sırasında aynı zamanda kömür içindeki oyuk (kavite) oluşumu da modellenmiştir. Kömür bloğunun yanında gazlaştırma ajanları ve yapay gaz akışının gerçekleştiği gazlaştırma kanalı modele dahil edilmiştir. Gözenekli ortam olarak kabul edilen kömür bloğunda ve gazlaştırma kanalında momentum, kütle korunumu ve enerji korunumu denklemleri yardımıyla momentum, ısı ve kütle transferi hesaplanmıştır. Gazlaştırma kanalı ve kömür bloğu içinde gerçekleşen türbülanslı akış etkileri ise k-ε modeli ile hesaplanmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemini kullanan ANSYS Fluent paket programı kullanılarak modelin sayısal çözümü sağlanmıştır. Sayısal çözüm çalışması için kullanılan geometri olarak, İTÜ Makina Fakültesinde, TÜBİTAK projesi kapsamında kurulan laboratuvar ölçekli YKG tesisatının reaktörü kullanılmıştır. Matematik model çözümünün doğrulanması, yine aynı deney tesisatında gerçekleştirilen bir deneysel çalışma ile yapılmıştır. Bu deneysel çalışmada Malkara-Pirinççeşme/Tekirdağ bölgesi linyit örneği ile oksijen ve su buharı kullanarak gazlaştırma işlemi yapılmıştır. Numerik sonuçların deneysel çalışmalar ile doğrulanmasında sonra YKG işleminde görülen oyuk (kavite) gelişimi, sıcaklık, kimyasal bileşen dağılımı sonuçları verilmiştir.
Torsional vibrations of gear systems with single and dual mass flywheels: modelling and analyses
Nowadays, the expectation of comfort and performance from vehicles is at an increasing level. One of the critical factors in vehicles which affects comfort and performance is vibration and noise levels of the vehicle. Developments aiming to reduce vibration and noise in vehicles lead to increased ride comfort and extended life of mechanical components. Power transmission makes the most substantial contribution to vehicle vibration and noise in automobiles. Gear systems are crucial components in transmission of power and motion. Noise due to gear systems is divided into two main types which are named gear whine and gear rattle. Gear whine is caused by friction at the surfaces of the contacting teeth of a gear pair. Gear rattle, which causes significantly more noise than gear whine, occurs due to the backlash between contacting gears which is needed for proper assembly and lubrication of the gear pair. Teeth of the gear pair find the ability to move back and forth in the backlash and collide each other causing noise and vibration. One of the major causes for gear rattle is the oscillating torque provided to the transmission by the internal combustion engine. The oscillating torque of the internal combustion engine, which is due to its design and nature, causes the contacting gears to move back and forth with respect to each other and leads to gear rattle. Gear rattle is observed especially in cases where a counter-torque is not present on the gear pair, which causes increased levels of vibration and noise and thus, reduced ride comfort and transmission component life. A traditional flywheel is placed between the crankshaft and the transmission in order to reduce vibrations and noise due to the internal combustion engine. The traditional flywheel reduces the vibration transfer from the crankshaft to the transmission, though only by a small amount. In today's standards of comfort and performance, more efficient methods are needed to reduce vibrations in vehicles. The dual mass flywheel, which is modelled and analyzed in this thesis, offers a more efficient method to reduce noise and vibration in vehicles. When the dual mass flywheel is placed between the crankshaft and the transmission, torque oscillations from the internal combustion engine, which causes gear rattle, are reduced. As a result of reductions of torque oscillations, ride comfort, the life of transmission components and transmission efficiency are increased. The dual mass flywheel can be thought of as two traditional flywheels, which is also referred to as single mass flywheels within this thesis, connected with a torsional spring between them. This design is similar to the design of a typical vibration isolator. The connecting torsional spring is selected so that vibrations above a certain frequency are reduced. The main purpose of this thesis is to demonstrate the effect of the dual mass flywheel on reduction of vibration of gear systems. In this context, various gear system models are examined in order to explain gear dynamics. Firstly, the dual mass flywheel is integrated into a linear gear system model and its efficiency is investigated. Subsequently, a nonlinear gear system model is built to account for the collisions due to backlash between the gears and the efficiency of the dual mass flywheel is investigated in comparison with the efficiency of the single mass flywheel. The first chapter of this thesis explains the vibration and noise problems observed in gear systems. Then, a comprehensive literature survey is given and previous work on the subject is examined in detail. At this point, the gear system models in the literature are grouped and research on each group is investigated. Therefore, previous work on the subject is considered to help and guide this thesis and possible future work. Lastly, the work done in this thesis is briefly explained and the problems which are aimed to be solved are defined. The second chapter explains the necessary theory to understand the subjects related to vibration and noise of gear systems and dynamics of gear systems. The definition and the mathematical representation of transmission error is given. Additionally, the mathematical procedure to calculate the contact stiffness in gear pair models is presented. Backlash in gear pairs which is necessary for the gear pair to operate without being locked up but also causes gear rattle is explained. Lastly, the working principle of the dual mass flywheel is explained. The third chapter introduces a linear gear system model to examine the efficiency of the dual mass flywheel on gear systems based on linear analyses. The efficiency of the dual mass flywheel is examined for its various configurations. Lastly, vibration transmissibility graphs are presented for comparisons of aforementioned configurations. The fourth chapter introduces a nonlinear gear system model in order to demonstrate the advantages of the dual mass flywheel on a more realistic and accurate model. Firstly, existing nonlinear models are revisited and simulated. Secondly, the dual mass flywheel model is integrated into the gear system model including backlash, and its efficiency is examined and compared to the efficiency of the single mass flywheel in the same model. For the purpose of comparison, transmissibility functions for a nonlinear system are defined. First of the transmissibility functions is defined as the ratio of the amplitude of the output signal to the amplitude of the input signal for at the excitation frequency. Second of the transmissibility function is defined as the ratio of the RMS value of the output signal to the RMS value of the oscillatory part of input (excitation) signal. Finally, the gear rotor system with dual mass flywheel is modeled in the Adams program and it is aimed to form a basis for more complex models for future work. In this thesis, it is found that if dual mass flywheel is added to the geared systems, vibration isolation is achieved substantially compared to single mass flywheel integrated system. Also, it is shown that there will be considerable reductions in impact induced noise and vibration levels. The final chapter gives a comparison of the results obtained from the linear and nonlinear models. Suggestions for future work is also given.
Sesüstü kompresör çarkı tasarımı
Küçük gaz türbinli motorların kullanıldığı günden beri eksenel ve karışık akışlı kompresörler, çeşitli havacılık uygulamalarında karşımıza çıkmaktadır. Bu tip kompresörler, yüksek performans ve düşük ağırlık talep edilen (yüksek güç yoğunluğuna sahip) insansız hava araçları, roketler gibi uygulamalarda yer almaktadır. Son senelerde eksenel kompresörlerde gelişim daha çok görülse de düşük basınç oranlarından dolayı birden çok kademe gereksiniminin olması, eksenel kompresörleri küçük gaz türbinli motor uygulamalarında dezavantajlı kılmaktadır. Bu nedenle yüksek performans ve düşük ağırlık kriterlerini göz önünde bulundurursak yüksek güç yoğunluğuna sahip küçük gaz türbinli motorlarda karışık akışlı kompresör kullanımı, zaruri hale gelmektedir. Karışık akışlı kompresörler, isminden de anlaşılacağı üzere eksenel ve santrifüj kompresörlerin ara formudur. Bu bağlamda karışık akışlı olarak tanımlanmasının nedeni çark çıkışındaki akış doğrultusunun eksenel ya da radyal olmayıp ikisinin arasında olmasıdır. Bu tip kompresörler, küçük çaplara ve yüksek debilere uyum sağlamalarından dolayı ve ayrıca eksenel kompresörlere göre yüksek basınç oranları; santrifüj kompresörlere göre yüksek debide verimli olarak çalışabilmeleriden dolayı avantaj sağlamaktadır. Bu çalışmada, yüksek debi ve basınç oranlı karışık akışlı bir kompresörün tasarım ve optimizasyon çalışmaları ele alınmıştır. Tez içerisinde bahsi geçen performans isterlerine göre boyutları sınırlı bir bölgede, literatürde mevcut karışık akışlı kompresörlere göre daha fazla enerji aktarımı yapılması gerektiği için kompresör çıkışının sesüstü olması gerekmiş ve dolayısıyla farklı geometrilerin üzerinde çalışılmıştır. Ayrıca literatürde mevcut karışık akışlı kompresörler hakkında bilgi de verilmiştir. Tez kapsamında tasarlanmış olan karışık akışlı kompresörün çıkışının sesüstü olmasının avantajları yanında dezavantajları da mevcuttur. Mach sayısındaki ve basınçtaki ani değişimlerden dolayı çeşitli kayıplar meydana gelmektedir. Bu bağlamda tez çalışması kapsamında sesüstü kompresörlerde çok önemli olan şok kayıpları da incelenmiştir. Yüksek debili ve yüksek basınç oranlı karışık akışlı sesüstü bir kompresör tasarlamanın ilk adımı meridyenel geometriyi oluşturmaktır. Meridyenel geometriyi belirleyen en önemli parametreler, eksenel uzunluk, kanalın çıkış doğrultusu ve göbek ve yanağın biçimleridir. Bu parametreler, makinanın özgül hızı ile yakından ilgilidir. Tüm bunların makinanın performansına olan etkileri bu çalışmada ele alınmıştır. Karışık akışlı kompresörlerin tasarımında diğer bir önemli parametre çark kanadının biçimidir. Bu bağlamda kanat sarılma açısı ile birlikte kanat giriş ve çıkış açılarına göre kanat boyunca açısal değişim önemli olmaktadır. Kompresör performansını etkileyen başka bir çark geometrisi parametresi ise kanat öteleme şeklidir. Kanat öteleme şekilleri, kanada göre teğetsel yönde ve meridyenel yönde yapılabilmektedir. Teğetsel öteleme, şok yapısını ve art-iz bölgesinin büyüklüğünü etkilemektedir. Bu sayede, çarkın kararlı çalışma bölgeleri de değiştirilmektedir. Teğetsel öteleme ayrıca çark kanadının yapısal dayanımını da etkilemektedir. Çark kanatlarının meridyenel yönde ötelenmesi ise çarkın şok karakteristiğini değiştirerek debi ve basınç noktalarına etki etmekte ve dolayısıyla çarkın kararsız çalışma aralığını ve verimini etkilemektedir. Çark girişinde ön dönme oluşturulması ve dolayısıyla giriş yönlendirici kanat kullanılması, kompresör çarkının verimi açısından incelenmesi gereken başka bir parametredir. Buna göre yüksek debili kompresör çarklarında, debiyle ilişkili hız bileşeni olan mutlak hızın eksenel bileşeninin sıfır dereceye yakın olmasında yarar vardır. Bundan dolayı yüksek debili kompresör çarklarında ön dönmeye, dolayısıyla giriş yönlendirici kanat kullanılmasına gerek yoktur. Sesüstü kompresörlerin kanat geometrisini etkileyen diğer bir parametreyse çark kanatlarının kalınlık dağılımıdır. Kanat kalınlığının kayıplara dolaylı olarak etkisi vardır. Kalınlık değerleri, kompresör boğulmasını etkilediği için hücum açısını da etkileyecektir. Hücum açısı ne kadar küçükse özellikle yüksek hızlarda kayıplar o kadar azalacaktır. Buna göre kanat kalınlığı ile verim değerleri de değişiklik gösterecektir. Sesüstü kompresör çark kanatlarındaki akışın davranışını hücum kenarı şekli de etkilemektedir. Şok dalgasının sınır tabakayla etkileşiminden dolayı oluşan kayıpların azaltılması için hücum kenarının mümkün mertebede sivri bir şekilde yapılması gerekmektedir. Bunların dışında rotorda yarım kanatların kullanımı, kanat katılığı değerini etkilediği için santrifüj ve karışık akışlı kompresörlerin performansında etkin bir parametredir. Ancak bu tezde yarım kanatlar çalışılmış olsa da hedeflenen sonuca ses üstü çıkış koşullarında ulaşılamamıştır ve dolayısıyla kompresör tasarımında oluşturulan rotor, yarım kanatlara sahip değildir. Kompresör kademesinin performansını, kompresör çarkının yanında difüzörler de etkilemektedir. Buna göre difüzörler kanatlı ya da kanatsız olarak imal edilebilmektedir. Yanma odasına eksenel olarak akışın sokulması istenen uygulamalarda daha çok kanatlı difüzörler kullanılmaktadır. Ancak özellikle sesüstü uygulamalarda sürtünme kayıplarından dolayı difüzörler, aerodinamik performansı düşürebilmektedir. Kanatlı difüzörlerin tasarımında ilk düşünülmesi gereken parametre, çark çıkışı ile kanatlı difüzör girişi arasında bırakılması gereken boşluk yani kanatsız bölgedir. Burada bırakılacak boşluk miktarı, özellikle tasarım dışı bölgeler için oldukça önemlidir. Süpersonik çıkışlı kompresör çarklarında difüzör kayıplarını azaltmanın diğer bir yoluysa kanatlı difüzörün eksenel uzunluğunu optimize etmektir. Burada difüzör içerisindeki yüksek hız nedeniyle sürtünme kayıpları fazla olacaktır. Bundan dolayı difüzördeki kayıpları azaltmak adına şok karakteristiği de ayrıca gözlemlenmelidir. Akış yanma odasına girmeden önce difüzör çıkışından çıkacağı açı da bir diğer tasarım parametresidir. Bu açı, genel olarak eksenel doğrultuya yakın olarak tercih edilse de çeşitli uygulamalara göre değişiklik gösterebilecektir. Bu çalışmada, literatürdeki bazı ampirik yaklaşımlar kullanılarak bir başlangıç tasarımı elde edilmiştir. Geometri elde etmek için kullanılan bilgisayar destekli tasarım araçları, bu tezin kapsamında anlatılmıştır. Ayrıca bu tasarım araçlarının kullanmış olduğu çizim yöntemleri de ele alınmıştır. Akabinde HAD analizlerine tabi tutmak için sayısal ağ araçlarında kullanılan yöntemler belirtilmiştir. Başlangıç tasarımında hedeflenen değerler elde edilemediği için göbekten yanağa doğru enerji aktarım miktarları incelenmiş ve buna göre kanat çıkış açıları optimize edilmiştir. Her iki tasarımın HAD sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu tez kapsamında tasarlanacak olan karışık akışlı kompresörün hedef değerleri 5 kg/s kütlesel debi, 6 toplamdan toplama basınç oranı, 232 mm maksimum dış çapa ve 260 mm maksimum eksenel uzunluk şeklindedir. Yapılan çalışmalar neticesinde bu hedeflere ulaşılmıştır.
Çekici tip kamyonlar için dikey park algoritması geliştirme
Otonom araç konusu, gün geçtikçe önemi artan ve üzerine oldukça fazla çalışılan, otomotiv alanında köklü değişikliklere sebep olabilecek bir çalışmadır. Bu konuda bir çok büyük araç üretici firmalar ile bu firmalara çeşitli sistemler konusunda destek sağlayan tedarikçi firmalar dahil çalışmalar oldukça hız kazanarak devam etmektedir. Bir çok firma kuruluş amaçları araç üretmek, araç üreticilerine çeşitli sistemler sağlamak olmasına rağmen otonom araçlardan kaynaklanacak değişimlere uyum sağlamak için mobilite, yazılım gibi kendi alanlarının dışında kalan alanlara da yönelmektedir. Benzer şekilde otomotiv sektöründe geçmişte çalışmamış Google, Uber gibi bir çok firma, sektördeki bu yönelimden dolayı otomotiv ile ilgili çözümleri çalışmaya başlamış ve sektöre giriş yapmıştır. Köklü değişikliklerin başında bu konu gelmektedir. Bunun nedeni gelişen teknolojiyle birlikte, araç kullanımı esnasında gerek trafikten gerekse güvenlik sorunlarından dolayı, insanların daha fazla kendine ait araç alma yerine ortak kullanım gibi çözümlere yönelmeleri gelmektedir. Otonom sürüş konularında çalışmalar devam ederken, araçlarda bulunan mevcut sürücü destek sistemleri de paralel olarak gelişmeye devam etmektedir. Adaptif hız sabitleyici, gelişmiş acil durum fren sistemi ve çeşitli park yardımcı sistemleri gibi oldukça kapsamlı sistemler geliştirilmektedir. Araştırmacıların büyük bir kısmı direkt olarak otonom araçlar çalışılsa da bu çalışmalara giden yolun sürücü destek sistemlerinin kademeli olarak geliştirilmesiyle ulaşılması gerektiğini savunmaktadır. Bu şekilde hem sürücülerin gelişen teknolojiye uyum sağlaması hem de yasal uygulamaların gelişmesi ile araç üretici firmaların bu sistemleri daha güvenli bir şekilde geliştirerek ilerleyebileceği düşünülmektedir. Yapılan araştırmalarda, gerçekleşen kazaların büyük bir çoğunluğunun direkt ya da dolayı olarak insan faktörlerinden kaynaklanmasından (~%90) dolayı sürücü destek sistemlerinin ve otonom araçların gelişmesinde özellikle güvenlik faktörü daha fazla aktif olarak rol oynamaktadır. Bu sistemler sayesinde sürücülerin, yolcuların ve yayaların daha konforlu ve güvenli bir seyahat gerçekleştirmeleri mümkün olacaktır. Bu kapsamda geleceğe yönelik çalışmalar incelendiğinde, otonom araçların günümüzde çeşitli uygulamalar ile geliştirilme çalışmaları devam etmesine rağmen uygulama alanlarının oldukça kısıtlı olduğu görülmektedir. Bu çalışmaların hız kazanarak ilerlemeye devam edip, belirli uygulama alanlarında kademeli olarak aktif bir şekilde yer alması ön görülmektedir. Bunun sebeplerinden biri günümüzde bu tarz araçlar için uluslararası yasal düzenlemelerin olmaması gelmektedir. Sadece belirli ülkelerde, çeşitli limitlemelerle (araç içinde herhangi bir tehlikeli duruma karşı aracı kontrol edebilecek sürücü bulunması vs…) test amaçlı izinler alınarak çalışmalar devam etmektedir. Teknoloji bu yönde ilerlemeye devam ederken ilk olarak yapılabilecek çalışmaların ulaşımda yük ve yolcu taşıma alanında daha fazla kullanımı öngörülmektedir. Bu yüzden çalışmalar ağırlıklı olarak bu tip araç uygulamalarında yoğunlaşmaktadır. Taksi yada otobüs gibi araçlarla yolcu taşıma amaçlı ve kamyonlar ile ise yük taşıma xviii amaçlı uygulamaların ilk aşamaları çalışılmaktadır. İlk uygulama alanları ise şehirler arası yollarda şehirler arası yol pilotu (Highway Pilot) ve arka arkaya araç kontrolü (Platooning) gibi günümüzde mevcut diğer sürücü destek sistemleri özelliklerin birleştirip, geliştirilmesiyle oluşturulan çeşitli fonksiyonlarla araç kontrolünün yapılmasıdır. Diğer bir uygulama ise kampus gibi limitlenmiş bir alanda yolcu taşıma çalışmalarıdır. En fazla çalışılan diğer bir uygulamada şekli ise tanımlı/belirli bir alanda (yükleme alanında yükün alınması-boşaltma alanına yükün bırakılması ve arada şehirler arası yollardaki sürüş gibi vs…) kamyon tipi araçlarla yük taşımaya yöneliktir. Bu çalışmada üzerinde yoğunlaşılan alan da, yakın gelecekte ticari olarakta ilk uygulamalarının görülebileceği alanlardan biri olan yükleme/boşaltma alanındaki otonom sürüşe örnek teşkil eden park senaryosudur. Günümüzde normal araçlar (dorsesiz şahsi araçlar…) için çeşitli park manevralarıyla ve kontrol yöntemleri ile bir çok firma araçlarında farklı otonom seviyelerinde park edebilen sistemler sunmaktadır. Ancak kamyonlar gibi ağır ticari araçlarda sunulan herhangi bir park yardım özelliği sunulmamaktadır. Çalışmamızda araç olarak, kontrolün zorluğundan dolayı yardıma en fazla ihtiyaç duyulması beklenen ve günümüzde bir uygulaması olmayan dorseli çekici tip kamyon seçilmiştir. Bu tip park manevralarında gerek dorsenin uzunluğundan dolayı gerekse dorsenin normal araç park manevrasına göre farklı davranmasından dolayı deneyimli sürücülerin dışında normal sürücülerin dahi zorluk yaşadıkları gözlemlenmiştir ve bu sorun üzerine çalışmanın bu konuda yapılması uygun bulunmuştur. Yapılan çalışmanın amacı yükleme yada boşaltma alanına gelen çekici bir kamyonun geliştirdiğimiz algoritma ile yükleme bölümüne sürücüden herhangi bir destek almadan, otonom olarak park etmesidir. Bu alanlarda genel olarak dorsenin dikey olarak park etmesi gerektiğinden dolayı dikey park senaryosuna odaklanılmıştır. Park alanında uygun olan park mesafesine ve aracın başlangıç pozisyonuna göre değişen bir algoritma geliştirilmiştir. Bu koşullarda oldukça fazla çözüm mevcuttur. Ancak bu çalışmada geleceğe yönelik yapılabilecek çalışmalara da örnek olması açısından üç ana park senaryosu üzerinden geliştirme yapılmıştır. Belirlenen üç ana park senaryoları hem en uygun olan hem de normal sürüşler esnasında en sık kullanılan park manevraları üzerinden geliştirilmiştir. Algoritmanın geliştirilmesinin tamamında Matlab programı kullanılmıştır. Sonuçlar ise yine Matlab programında iki boyutlu simülasyonlar ile görselleştirilerek incelenmiştir. Araç modellemeleri için ise kinematik denklemler, bisiklet model yaklaşımı ve aracın hareket kısıtlamaları ile birlikte kullanılarak uygulanmıştır. Çalışma sonucunda aracın değişen başlangıç pozisyonlarına, açılarına ve park alanının durumuna göre uygun olan park yerine park etmesi başarı ile sağlanabilmektedir.
Model based diagnosis of the oxygen sensors
Targets such as complying with legislations on emissions regulated for the protection of the environment and human health, increasing fuel consumption performance, and being competitive in the market, have consistently encouraged the experts to contemplate on air-fuel ratio control for decades. Therefore, many advanced systems, components, and methodologies have been developed and used in the industry. Oxygen sensor is one of these systems. Oxygen sensors in the exhaust layout of the vehicles are used as feedback elements for precise control of lambda calculation in engine cylinders to be sure that the three-way catalyst works in optimum range and to optimize the power output and fuel consumption of the engine. Both OBDII and EOBD regulations oblige the monitoring of oxygen sensors and warning the driver in case of detection of a faulty sensor. The primary purpose of the thesis is to develop a methodology for precise and accurate monitoring and diagnosis of the oxygen sensor to meet the legislations and the performance targets while the required calibration effort is reduced regarding time, cost and human resources. The thesis consists of six different chapters. Chapter 1 explains the role of air-fuel ratio in emission control in detail. The aftertreatment layout is presented for a better understanding. Besides, emission gases and their damages are explained. Finally, different methodologies in the literature about the model-based diagnosis applied to various applications are analyzed. Chapter 2 introduces the oxygen sensors in detail. There are generally two types of oxygen sensors used in vehicles. The first type is a binary sensor and gives information whether the mixture is rich or lean. The type of the oxygen sensor studied in this thesis is the second type called as Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor. Therefore, the chapter explains the working principle of Bosch LSU4.9 sensor and importance of the sensor in closed loop control of the air-fuel ratio. Besides, the factors causing oxygen sensor to fail, the defect types and the conclusion of having a malfunctioning sensor in the aftertreatment layout are described in the section. The benefits of modeling the dynamics systems are indicated in Chapter 3. Besides, the advantages of the system identification for both linear and nonlinear systems are detailed for some specific methodologies such as impulse response, state space and ARX models for linear system identification and NARX models for nonlinear system identification. System identification uses a set of experimental data to correlate predefined inputs and the system output. System identification is a helpful approach especially when there is not enough information about the dynamic characteristic of the system, or mathematical equations to represent the physic behind are not known. Chapter 4, firstly, describes the location of the UEGO sensor in the current exhaust layout and the characteristic of experimental data. Then, input selection for system identification methods described in the previous section is realized by using principal component analysis, and fundamentals of combustion and ideal gas law. Using linear system identification follows the input selection step. In this step, three different linear identification model is created by using different combinations of preselected inputs. Since no satisfactory result could be reached, the data is split small portions to analyze the existence of local linearity. Afterward, due to lack of improvement in the performance nonlinear system identification approach is decided to utilize. Nonlinear-autoregressive-exogenous model is designed with several different configurations of the number of hidden layers, the number of the neurons, delays, learning algorithms, etc. to obtain the best suitable model representing the UEGO sensor. In the end, a NARX model with two hidden layers and eight neurons in each hidden layers is decided to use in residual generation phase of sensor diagnosis. After a successful model has been achieved to a sufficient degree, the residual generation and residual evaluation steps are continued in Chapter 5. Residuals are produced by comparing the sensor output to model output in two WLTC data. The first data set is collected in a WLTC with a good sensor on the vehicle whereas a faulty sensor is located on the vehicle during the second WLTC. After that, these two residual sets are analyzed statistically to decide on if the sensor is defective or not. It is decided to use the decision-making approach by using two different threshold values based on the standard deviation and mean values calculated for each residual data set. In future work, some other residual evaluation methods can be tried to see the effectiveness of different approaches. In addition, it is recommended that validations be performed under various environmental conditions.
LNG applications in marine transport
In recent years more and more focus has been placed on the environmental aspects of ships, because of the great attention to exhaust gas emissions from ships including Nitrogen Oxides (NOX), Sulphur Oxides (SOX) and Carbon Dioxide (CO2) due to their negative effect on global warming. Main purpose of this thesis study is to provide necesserary background information on exhaust emission products and their effects on human health, exhaust emission limits, methods to reduce exhaust emission and conversion of diesel engine to dual fuel engine. Furthermore NOX and SOX exhaust emission limitation according to global and local regulations are decribed and methods on how exhaust emission limits can be reached will be presented. Also this thesis is decribed to measurement methods of exhaust emission on test bend and onboard. International Marine Organization (IMO) introduced restrictions on emissions of exhaust gas for NOX and SOX that came into force in 2015 in the Emission Control Areas and 2020 for the rest of the world. In order to be compliant with these restrictions, ship owners have to take the necessary precautions to make a bussiness in related area. In order to ensure the exhaust emission limits specified in the Regulations, after treatment system or Liquefied Natural Gas (LNG ) as alternative marine fuel must be used. To decrease NOX values in exhaust emission, Selective Catalytic Reduction (SCR) or Exhaust Gas Recirculation (EGR) after treatment system are used or LNG is used as an alternative marine fuel oil. Te decrease SOX values in exhaust emission, Sucrubber system is used or fuel oil which has low SOX is used. A key factor for the success of a gas coversion is finding sufficient space for storing gas onboard the vessel. The second step in the prosess is to check whether or not the existing engines onboard can be converted. If the existing engines aren't suitable for conversion, the only option is to replace them with the new ones. Generally speaking, converting an existing engine is recommended and is economically more feasible than installing new ones. When keeping in mine that a conversion basically brings the same benefits as new engines. For example, the same warranty is granted as for a brand new engine. In addition to which there are also saving to be made on maintenance costs since the running hours are reset. In the Second chapter of the thesis, main engine exhaust emissions are introduced and their effects on environment and human health is indicated. Global and different local regulations have been published to minimize the harmful effects of these exhaust emissions. In this section, these regulations are introduced and the values of the exhaust emissions in these regulations are indicated together with the dates of their implementation. Within the third chapter of this thesis, it is specified which equipment should be used to reduce the exhaust emission values of the fuel types burned on the engines, according to the latest exhaust emission limits specified in the local and global work areas. The equipments to be used and the types of these equipments are specified in detail and the rules for designing of these equipments are specified. In the fourth section of the thesis, LNG is considered as an alternative to the fuels used in the vessels and LNG fuel is explained in detail. In the fifth chapter, the conversion of marine diesel oil (MDO) and heavy fuel oil (HFO) engines to Dual Fuel (DF) engines is discussed. The concept of conversion of HFO engines to DF engines has been discussed and explained in detail. With in the sixth chapter, the parts to be changed on the engine, the parts which will be added on the engine, the modification on existing system and the system which will be added because of the LNG are discussed in detail. The rules and regulations which are used for the determin the design of the parts and systems is given in related sections. And also the documents that must be prepared and approved for the engine and systems must be converted are listed. In the seventh chapter of the thesis, the first marine type engine which was converted from HFO to LNG operation is mentioned in detail. Detailed information of the vessel which has this converted engine and owner of this vessel is given. Also the list of the vessels ,whose engines were converted, is given with their name, owners and conversion year of the engines. Within the eighth chapter of the thesis, exhaust emission measurement methods are mentioned. Detailed information is given on which the emission measurement methods are used for the determine the emissions quantity, under which conditions, and which parameters affect the exhaust emissions values. The measurements methods and rules for these methods are mentioned in detail related section. Which documents has to be prepared after measurement of the exhaust emissions and what kind of information must be included in this document are explained in detail. Finally, within the last chapter named "conclusion", the results achieved within this study will be summarized and recommendation for Karadeniz, Marmara Sea, Istanbul Strait and Canakkale Strait will be put forward in order to achieve ECA Egzost Emission Limits.
Nanoteknolojide eğri eksenli çubukların düzlem içi davranışları için bir sonlu eleman formülasyonu
Nanoteknoloji, özellikle son yıllarda hayatımızın her alanında kendine yer bulmaktadır. Bu araştırma alanının gelişmesi sayesinde, geleneksel malzemelere kıyasla fiziksel, kimyasal ve elektriksel yönlerden daha üstün davranış gösteren malzemeler geliştirilmiştir. En iyi bilinen örnekleri karbon nanotüp ve grafen levha olan bu üstün nitelikli malzemelerin mekanik özelliklerinin tespitine ve bu malzemelerden yapılan mühendislik yapılarının tasarımına günümüzde sıklıkla ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeple, malzemelerin ve yapıların nano ölçekte davranışlarını inceleyen nanomekanik adı verilen bir çalışma alanı ortaya çıkmıştır. Mühendislik yapılarının tasarımında ve modellenmesinde sıklıkla kullanılan yapısal elemanlardan olan çubuklar, nano ölçekteki yapılarda da kullanılmaktadır ve nanomekaniğin ana inceleme konularından birini oluşturmaktadırlar. Ana olarak makina mühendisliğinin uygulama sahasına giren bu yapıların mühendisler tarafından statik ve dinamik analizinin yapılması önem arz etmektedir. Genellikle klasik (yerel) elastisite teorisinin kullanıldığı çalışmalarda, atomlar arasındaki boşlukların etkilerinin ihmal edilebilecek kadar az olduğu kabul edilmektedir. Ancak, çalışma ölçeğinin nanometre mertebelerine inmesiyle, bu boşlukların etkisi artık göz ardı edilemeyecek seviyelere çıkmaktadır. Böyle durumlarda, boşlukların etkisini ihmal eden klasik (yerel) elastisite teorisinin yerine yerel olmayan elastisite teorisinin kullanılması daha doğru sonuçlar vermektedir. Bu çalışmada, eksenel uzama, kayma deformasyonu ve dönme eylemsizliği etkilerini dikkate alan eğri eksenli Timoshenko nanoçubuklarının, düzlem içi statik ve dinamik davranışlarının analizi için yerel olmayan elastisite teorisi kullanılarak elde edilmiş kesin analitik çözümlere dayalı bir sonlu eleman formülasyonu geliştirilmiştir. Yukarıda değinilen kapsamıyla bir ilk olma özelliği taşıyan bu formülasyonda, yerel olmayan elastisite teorisi ile elde edilmiş kesin analitik çözümlerinden hareketle katılık (rijitlik) ve kütle matrisleri elde edilmiştir. Geliştirilen sonlu eleman formülasyonundan elde edilen sonuçlar, literatürdeki çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Bu bağlamda, birinci bölüm, nanoçubukların günümüz mühendislik bilimi içerisindeki yerine ve uygulama alanlarına dair bilgileri, gerçekleştirilen tezin amacını ve kapsamını içermektedir. İkinci bölümde, nispeten yakın bir geçmişe sahip olan nanoçubuklar hakkında bir literatür araştırması sunmaktadır. Literatür araştırması, nanoçubukların statik ve dinamik davranışlarını yerel olmayan elastisite teorisi ile inceleyen çalışmalar kapsamıyla sınırlı tutulmuştur. Gerçekteştirilen literatür araştırması, analitik ve sonlu eleman yaklaşımları olmak üzere iki alt grup olarak sunulmuştur. Üçüncü bölümde, bu çalışmaya temel teşkil eden, nanoçubukları yerel olmayan elastisite teorisi perspektifiyle inceleyen analitik yaklaşıma yer verilmiştir. Bu bölümde, yerel ve yerel olmayan elastisite teorileri arasındaki ilişkilere, varsayımlara ve kesin analitik çözümü elde etmek için başlangıç değerleri yönteminin kullanımına değinilmiştir. Bu bölümde açık ifadeleri verilen yer değiştirme alanları, bir sonraki bölümde şekil fonksiyonları olarak kullanılmıştır. Dördüncü bölüm, şekil fonksiyonu olarak kesin analitik çözümleri kullanan bir sonlu eleman formülasyonu sunmaktadır. Bu bölümde, rijitlik matrisi, ilk olarak literatürde "direkt metot (direct method)" olarak geçen yöntemle formüle edilmiştir. Ardından, kütle matrisi, dönme eylemsizliğinin göz önünde bulundurulduğu durum için formüle edilmiştir. Son olarak, elde edilmiş rijitlik ve kütle matrislerinin, Hamilton Prensibi olarak adlandırılan varyasyonel yaklaşımla da elde edilebileceği gösterilmiştir. Beşinci bölümde, geliştirilen sonlu eleman formülasyonu, sayısal örneklerle doğrulanmıştır. Literatürdeki statik ve dinamik örnekleri içeren bu bölümde, sonlu eleman yaklaşımıyla elde edilen sonuçlar, analitik ve sayısal çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Altıncı bölümde genel bir değerlendirme yapılmış ve gelecek çalışmalar için çeşitli önerilerde bulunulmuştur. Yapılan bu çalışmanın, eğri eksenli nanoçubuklar ile ilgili yapılacak çalışmaların gelişmesine katkı sağlayacağına ve önerdiği formülasyon sayesinde bu çubukların statik ve dinamik davranışının incelenmesini içeren tasarım süresinin kısaltılmasına önemli ölçüde yardımcı olacağı düşünülmektedir.
Investigation of the effects of inter-leaf friction on leaf spring damping characteristics via multi-body simulation
Leaf spring is one of the oldest components used in the suspension system of the ground vehicles due to its high load capacity and cost efficiency. Leaf springs still have wide usage in today's vehicles, mostly on the load carrying ones such as trucks, vans or pick-up trucks. Computer aided engineering methods are very common in automotive design engineering. The developing technology enables engineers to simulate accurate models instead of testing and improves the design process. The wide usage of the leaf spring in vehicles, makes this component a focus for computer aided engineering models. In order to create accurate models of the leaf spring, characteristics of the leaf spring in the desired study should be well-known. One of the characteristics of the multi-leaf springs is the friction between the leaves. Frictional contact on leaf springs has several effects on the system. One of the most obvious effect is the energy dissipation due to relative motion of the adjacent leaves. This directly acts as a damping on the vehicle suspension system. Friction also cause dynamic rate changes of the leaf spring. One of the disadvantages of the leaf spring inter-leaf friction is noise and surface wear. In previous studies, some methods are suggested to reduce the friction in leaf springs in order to eliminate the disadvantages. The advanced necessities in automotive industry and the developed technology also shows its effects in leaf spring designs. The newer leaf springs have more complex geometries and less leaves when compared to the older ones in order to optimize the durability and NVH behavior. However the inter-leaf friction in multi-leaf springs is still an issue that has to be considered. Friction in leaf-springs were studied in many aspects until now. This study focuses on to create and accurate multi-body simulation model of the leaf spring and the study of frictional effects on its vertical behavior. In order to obtain vertical behavior of the suspension with leaf spring, multi-body simulations are conducted on quarter-car and leaf only setups.
Rear middle bumper design of a raised floor bus
In parallel with the development of technology in the automotive industry, from past to present, the usage of motor vehicles have increased rapidly. Together with the increased numbers of motor vehicles acting on highways, the huge number of highway collisions have started to be a critic problem for the nations. The statistics of the World Health Organization show that worldwide more than 1.25 million people die and 20 to 50 people suffer from the highway accidents annually. At this point, integrating systems and structures that take a role on minimizing the impact of collisions on the passenger and pedestrians has become an important issue for the automobile makers. Bumper systems that are integrated to the front and rear ends of the motor vehicles are one of these impact reducers in case that an automobile hits any object or a pedestrian. In this thesis study, it is aimed to review the present literature and applications of the automobile bumper systems and to introduce proper material, production method and design proposals for a rear middle bumper of a raised floor bus by taking the information of the present bumper applications into consideration. This study starts with the review of the definition and functions of automobile bumper systems and the historical development of the present bumper structures. As the driver and passenger compartments in a raised floor bus is in a heigher level than the collision height, the primary functions of bus bumpers differs from the passenger cars. Therefore, the functions of bus bumpers are focused on in details in this study. Afterwards, within the scope of this study, the types of bumper systems that are used in today's automobiles are explained and demonstrated with figures and information about the sub-components of these bumper systems are given in details. In order to explain the importance that automotive bumpers are not only parts that beautifies the automobile body, the current highway standards and regulations that concern the requirements demanded from the bumper systems of passenger cars are shortly described. After the review of general information about the automotive bumper systems, current standards and regulations, in the oncoming sections of this study, the materials and most commonly used manufacturing technologies applied for the production of automotive bumpers are described in details by demonstrating also with figures. By explaining the advantages and disadvantages of each production method, a comparison of these applications are summarized in order to use as a reference during selection of the material and production method proposals of the rear middle bumper of a raised floor bus. In addition to the present applications, the challenges about the bumper materials that automotive manufacturers will face in the future are also shortly mentioned. Prior to the design proposal of the rear middle bumper, as Finite Elements Methods (FEM) is used during the modeling phase of the rear middle bumper, a review about the Finite Elements Methods are given in the following sections of this study. The definition of FEM is explained and approaches used during a FEM study are described. Afterwards, the steps that are followed during a FEM analysis and the advantages of using this method are mentioned. In this study, the present computer aided design applications that use FEM during the design, modeling and structural analysis phases are also stated shortly. Among these applications, Siemens NX that is used during the design steps in this thesis study was explained in details. Taking all these information explained above into consideration, in order to propose design solutions for the rear middle bumper of a raised floor bus within the scope of this thesis study, a systematic design approach starting with definition of the task and preparation of requirements list is implemented. After generating the requirements list, as the following step, by evaluating all the bumper material and production methods explained in the previous sections, two alternatives of bumper materials and production methods are proposed accordingly to the requirements expected from the rear middle bumper. After selection of the bumper material and production method alternatives, firstly the surface modeling is figured out using the computer aided design software Siemens NX. Then, by adding volume on the surface model, the 3D models for both alternatives are generated. In order to minimize the part complexity and accordingly the unit cost, firstly the 3D models are figured out without any reinforcing ribs added on the part. In order to examine the strength of these models, the displacement and stress analysis are implemented in Siemens NX under certain load conditions. The analysis results are evaluated according to the allowed maximum limit values stated in the requirements list. Based on the weak results of the analyses applied for the ribless models, iterations by adding reinforcing ribs are implemented on the models and the analyses are repeated. At each stage of these step-by-step iterations, the figures of the 3D models showing the analysis results are demonstrated and the results are summarized in tables in order to give the reader a clear view. As a consequence of this study, the proper rear middle bumper design solution that meets all the expectations stated in the requirements list is selected. As today's competitive environment in the automotive industry will increase rapidly in the near future, to overcome the future challenges, recommendations for cost reduction and meeting public expectations, such as reduction of environment pollution, are also proposed for the rear middle bumper design in the scope of this study.
Nanoteknolojide eğri eksenli çubukların düzlem dışı davranışları için bir sonlu eleman formülasyonu
Nano boyuttaki malzemelerin, gelişmiş fiziksel, kimyasal ve elektriksel özelliklere sahip olduğunun farkedilmesiyle daha üstün özelliklere sahip nano boyutta yapıların üretilmesi, günümüzde nanoteknolojiyi ilgi odağı haline getirmektedir. Kuvvet ve yerdeğiştirme ilişkileri kullanılarak, nano boyuttaki sistemlerin fonksiyonel ve elastik karakteristiklerini inceleyen nanomekanik, nanoteknolojinin en önemli çalışma alanlarından biridir. Nano ölçekteki cihaz ve makinalarda yaygın olarak kullanılan yapı elemanlarından biri nanoçubuklardır. Bu çubuk elemanların mekanik davranışlarının tam olarak bilinmesi, nano boyuttaki makinaların geliştirilmesi için önemlidir. Nanoçubukların modellenmesinde, klasik elastisite teorisi yerine, yerel olmayan elastisite teorisi kullanılmaktadır. Klasik elastisite teorisinin tanımının boyuttan bağımsız olması nedeniyle, mikro yapılarla birlikte nano yapıların davranışlarının incelenmesinde sorunlar ortaya çıkmaktadır. Boyutlar küçülmeye başladıkça, malzeme içindeki boşlukların etkisi, cismin boyutları yanında ihmal edilemez seviyeye gelmektedir. Bu durumda, moleküller arasındaki boşluklar önem kazanmakta ve klasik elastisite teorisi ile elde edilen sonuçlar gerçekten uzaklaşmaktadır. Bu nedenle, mikro/nano boyutlardaki yapılarda boyut etkisini göz önünde bulunduran yerel olmayan elastisite teorisi kullanılmaktadır. Ayrıca, yerel olmayan elastisite teorisinin üstünlüğü, sadece nano malzemelerin statik, dinamik ve burkulma davranışları üzerinde boyut etkisini göz önüne alması değil, diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında analizlere uygulanmasının da kolay ve ucuz olmasıdır. Bu çalışmada, yerel olmayan elastisite teorisi ile eğri eksenli nano çubukların düzlem dışı statik ve dinamik davranışlarını ifade eden ve kayma deformasyonu ile eğilme ve burulma dönme eylemsizliklerini de göz önüne alan denklemlerin kesin analitik çözümüne dayanan bir sonlu eleman formülasyonu geliştirilmiştir. Eğri eksenli düzlemsel çubukların düzlem dışı statik ve dinamik problemlerin çözümünde kesin analitik çözümden elde edilen değerler, şekil değiştirme büyüklükleri olarak kullanılmakta, rijitlik ve kütle matrisleri oluşturulmaktadır. Geliştirilen formülasyonun sonuçları, literatürdeki statik örneklerle karşılaştırılmıştır. Birinci bölümde, nanoteknolojinin önemine ve nanoyapıların tasarım yaklaşımlarına değinilmiştir. Ayrıca, yapılan çalışmanın literatürdeki mevcut çalışmalardan hangi nitelikler bakımından farklı ve üstün olduğu da vurgulanmıştır. İkinci bölümde, nanoçubukların statik ve dinamik problemlerinin incelenmesi konusunda yapılan çalışmalar verilmiştir. Yapılan literatür taramasında, genellikle yerel elastisite teorisi kullanılarak yapılan çalışmalar yer alırken, yerel olmayan elastisite teorisi kullanılarak yapılan az sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmaların çoğunda eğilme etkisi, kayma deformasyonu, eksenel ve kesme kuvvetleri gibi bir veya birkaç etki göz ardı edilmiştir. Ayrıca, bu konudaki çalışmaların çok azında eğri eksenli nanoçubuklar ele alınmıştır. Düzlemsel eğri eksenli çubukların düzlem dışı davranışlarının incelendiği çalışma ise yok denecek kadar azdır. Literatürde, nanoçubuklar için sonlu eleman formülasyonu ile ilgili çok az sayıda çalışma mevcuttur. Bunların da neredeyse tamamı doğru eksenli çubuklarla ilgilidir. Bu çalışmalarda, yer değiştirmeler için çeşitli yaklaşık fonksiyonların kullanıldığı görülmüştür. Üçüncü bölümde, Eringen tarafından sunulan yerel olmayan elastisite teorisinin bünye denklemleri, silindirik koordinatlarda yazılarak klasik çubuk teorisine uygulanmış ve değişken eğrilik yarıçapına ve değişken kesit alanına sahip çubuklar için elde edilmiş denklemler verilmiştir. Çubuk kesitinin çift simetrik olduğu varsayılmakta, böylece, düzlem içi ve düzlem dışı davranışı ifade eden büyüklükler ayrı denklemlerde bulunmaktadır. Denklemlerde, kuvvet ve momentlerin yerel olmayan etkileri dikkate alınmıştır. Başlangıç değerleri yöntemi kullanılarak, düzlemsel eğri eksenli çubukların düzlem dışı statik davranışlarını ifade eden denklemlerin kesin analitik çözümü verilmiştir. Dördüncü bölümde, değişken eğrilik ve değişken kesit kabulü yapılarak düzlemsel eğri eksenli çubuğun, düzlem dışı statik ve dinamik davranışlarını ifade eden, yerel olmayan elastisite teorisi ve tüm yerel olmayan etkilerin dahil edilmesi ile elde edilen denklemlerin kesin analitik çözümleri kullanılmış, sonlu eleman formülasyonu yapılmıştır. Düzlem dışı statik problemler için sonlu eleman formülasyonunda rijitlik matrisi oluşturulmuştur. Elemana ait rijitlik matrisi elde edilmiş ve birleştirilerek global rijitlik matrisi oluşturulmuştur. Düzlem dışı titreşim problemleri için sonlu eleman formülasyonunda rijitlik matrisinin yanı sıra kütle matrisine de ihtiyaç duyulmaktadır. Bu bölümde, elemana ait kütle matrisi elde edilmiş ve birleştirilerek global kütle matrisi oluşturulmuştur. Ayrıca, Hamilton prensibi kullanılarak da rijitlik ve kütle matrisleri elde edilmiştir. Beşinci bölümde, eğri eksenli nano çubukların düzlem dışı statik ve dinamik problemleri için geliştirilen sonlu eleman yöntemi ile çeşitli örneklerin çözümlerine yer verilmiştir. Hesaplamalarda, kayma deformasyonu ile eğilme ve burulma dönme eylemsizlik etkileri dahil edilmiştir. Elde edilen sonuçlar analitik çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Altıncı bölümde, bu çalışmada elde edilen sonuçlar ve sonuç bölümü tartışılmıştır.
Progressive failure analysis and multi objective optimization of laminated composite structures
In this thesis, weight minimization of wing spar that consists of laminated composite structure without causing failure in case of different ply stacking sequence is represented. Herein, ply thickness and ply orientation are selected as optimization variables and lightening of structure is provided by choosing the minimum total thickness of plies in progressive failure analysis. This study is implemented by using two methods. Firstly, Tsai-Wu Index is calculated for different ply thicknesses and ply orientations by design of experiment method. Secondly, in NSGA-II method, minimization of total thickness of plies and Von Mises stress is provided by using different ply orientation.
Validation of dynamic models of additive manufacturing parts
Metal Additive Manufacturing (AM) technologies, namely, Selective Laser Melting (SLM) and Electron Beam Melting (EBM) have become very popular in recent years. Many companies in manufacturing industry are investing in AM technologies and they are in the process of adapting AM into their manufacturing cycles. Companies are aiming to replace the conventional processes like casting and forging by AM technologies because of the advantages that AM offers. In order to achieve this and certify AM parts, substantial testing requirements have to be met, which are costly in terms of raw material and labor and time consuming. During the adaptation of AM technologies, vibration testing can be utilized to obtain representative dynamic models of AM parts. Mathematical model of the structure based on experimental route can be used to validate and update numerical models. Within the scope of this thesis, first of all, general information regarding additive manufacturing technologies is presented. Then, SLM process, which is a powder bed additive manufacturing method used in this thesis, is investigated in detail. The current problems in using this process are outlined and a literature survey is conducted regarding material properties of structures manufactured by conventional and AM technologies. At the end of the first chapter, the objectives and the scope of the thesis are described. In the second chapter, theoretical basis on vibration testing is given, including topics related to vibration measurement, identification of modal parameters and comparison and correlation. Some topics related to reliable vibration measurements such as averaging, aliasing, leakage and coherence are briefly described. Then, peak picking, circle fit and line fit methods, which are some of the basic methods of modal parameter estimation techniques, are explained. In this thesis, circle fit method in ICATS software is used in order to get natural frequencies and damping levels of structures. The third chapter presents material properties for FE models. Material properties for conventional and additive manufacturing samples are estimated using impulse excitation test method in order to provide material properties for FE models. In fourth chapter, finite element models and the corresponding results are obtained for conventional and additive manufacturing parts. FE model is developed so as to predict the first 6 elastic vibration modes. The FE models are developed using the ABAQUS software. Natural frequencies and mode shapes are obtained using FE models for both conventional and AM parts. The fifth chapter describes the vibration tests performed on structures manufactured using AM and conventional methods for comparison purposes. Experimental setup is prepared and some preliminary tests are conducted first. Natural frequencies and damping levels are obtained using vibration tests for both conventional and AM parts. In the sixth chapter, experimental and theoretical results are compared and FE model is validated for conventional part. FE models of AM parts which are manufactured using different process parameters are updated according to the natural frequencies identified experimentally. This process allowed estimation of more accurate material properties, yielding more realistic and representative FE model for AM parts. In the last chapter, some concluding remarks are made and suggestions for future work are provided. It is concluded that maximum 2.763% difference in natural frequency results between parts manufactured by conventional methods and parts manufactured by AM technology suggests that parts manufactured by AM technology can be used as counterparts for parts manufactured by conventional methods. Loss factor results show that similar or higher damping levels compared to conventional manufacturing methods can be obtained by AM technology. It is also concluded that a specific part with specific Young's modulus, damping level and density/porosity value can be manufactured by adjusting AM process parameters. It is shown in this thesis that natural frequencies decrease and damping levels increase with increasing porosity levels. For future work, it is suggested that the damping originated from welding or assembling via bolts and nuts in an assembled structure can be investigated by manufacturing an alternative "single piece assembly" using AM technology. The damping levels of this "single piece assembly" can be compared with those of the equivalent structure assembled by multiple subparts manufactured using conventional methods.
Kömürün gazlaştırılmasında gazlaştırma parametrelerinin yapay gaz (SYNGAS) enerji potansiyeline etkisi
Günümüzde ülkelerin gelişmişliğiyle orantılı olarak açığa çıkan enerji ihtiyacı petrol, doğalgaz ve kömür gibi fosil yakıtlar ile yenilenebilir enerji kaynakları (güneş, rüzgar vb.) kullanılarak karşılanmaya çalışılmaktadır. Enerjinin ülke ekonomisine olan katkısı ve elde edilme biçimindeki dışa bağımlılık gibi faktörler düşünüldüğünde enerji kaynağı olarak kullanılabilecek her yakıt önem arz etmektedir. Ülkemizde kömür rezervleri büyük önem taşımaktadır ve sadece %15'i geleneksel madencilik yöntemiyle çıkarılmaktadır. Geleneksel madencilikte son yıllarda yaşadığımız kazalar ile birlikte kömürün enerji eldesinde farklı bir metotla kullanılması ihtiyacı açığa çıkmıştır. Yeraltında kömür gazlaştırma (YKG) işlemi, geleneksel madencilik yöntemiyle çıkarılması ekonomik olmayan ve düşük kaliteli kömürlerden enerji elde edilmesi için kullanılan bir metotdur. Bu metotda kömür yatağı üzerine sondajlar ile kuyular açılarak kontrollü şekilde ateşleme yapıldıktan sonra hava, oksijen ve su buharı gibi gazlaştırma ajanları vasıtasıyla yapay/yanıcı gaz (syngas) elde edilmesi sağlanır. Gazlaştırma işlemi sonucunda CO2, CO, H2 ve CH4 gibi yanıcı gazlar oluşmaktadır. Yeraltında kömür gazlaştırma işlemi kömür yatağının derinliği, kömürün termofiziksel özellikleri, gazlaştırma ajanının tipi/karışım oranı (hava, oksijen ve su buharı), ateşleme süresi ve kömür yatağında sıcaklık dağılımı gibi parametrelere bağlı olup kontrolü zor bir işlemdir. Laboratuvar ölçekli olarak yapılan çalışmada, kömür kütlesi, yüksekliği, uzunluğu, gazlaştırma ajanı cinsi, besleme debisi ve kömür bloğu içerinde sıcaklık dağılımı parametrelerine bağlı olarak işlemin verimi değerlendirilmiştir. Çalışmada gazlaştırma parametrelerine bağlı olarak, yapay gaz enerji potansiyeli, karbon dengesi ve gazlaştırma verimi incelenmiştir. Yapılan işlemlerde kömür bloğunun uzunluk/genişlik oranına bağlı olarak gazlaştırma verimindeki değişimler incelenmiştir. Değerlendirmeler yapılırken proses sonrasında reaktör içerisinde çıkarılan kömür numuneleri ve oluşturulan kavite de gazlaştırma veriminin yorumlanmasında önem arz etmektedir. Tek bir noktadan ateşleme yapılan işlemlerde özellikle saf oksijen beslemesi yapılan bölümlerde artan sıcaklığa bağlı olarak kömür yüzeyinde oluşan aglomerasyon (camsı yapı - sinterleşme) gazlaşma işleminin ilerlemesini yavaşlatıp durdurmaktadır. Bu durumda kavite büyüyemediği için gazlaştırma verimi düşmektedir. Deney düzeneği, İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi Yanma Laboratuvarlarında kurulmuştur. Düzenek, biri büyük ve diğeri küçük olmak üzere iki farklı boyutta, ısı ve kütle yalıtımlı, içine sıcaklık ölçüm ısıl çiftleri yerleştirilmiş reaktörlerden, yapay gaz içeriğinde olan katı tanelerin temizlendiği siklon, yapay gazın sıcaklığının düşürüldüğü ve buharın yoğuşturulduğu soğutucu, H2S tutumunu sağlamak için yıkama kolonu, sistemi negatif basınçta tutarak dışarıya yapay gaz sızmasını engelleyen vakum pompası ve elde edilen yapay gazın zararsız şekilde imha edilmesini sağlayan yakıcıdan (flyer) oluşmaktadır Düzenekte ayrıca gazlaştırma ajanlarının ve yapay gazın debilerini ölçmek için orifisler kullanılmıştır. Yapay gaz bileşimini tayin edebilmek için gaz kromatografi ve taşınabilir syngas analizör kullanılmıştır. Çalışma boyunca dokuz adet başarılı deney gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerin 7 tanesi küçük ölçekli reaktörde son iki tanesi ise büyük ölçekli reaktörde gerçekleşmiştir. Deneylerde Malkara, Pirinççeşme yöresinden çıkarılan linyit kömürü kullanılmıştır ve yapılan işlemlerde gazlaştırma ajanı olarak hava, saf oksijen, hava/osijen karışımı, su buharı beslemesi yapılmıştır. Deneylerde zamana bağlı olarak besleme ve yapay gaz debileri ölçümü, sıcaklık ölçümleri ve gaz bileşimi ölçümleri yapılmıştır. Yapılan işlemlerde %50-65 oranlarında yanıcı gaz eldesi, kömür içerisinde 1200 oC sıcaklıklar gözlenmiştir. Gazlaştırma ajanlarının debileri ve tipleri işlemin ilerlemesinde çok büyük önem taşımaktadır. Yalnızca hava ile yapılan işlemlerde kömür içerisinde sıcaklıklar yavaş artarken, saf oksijen ile yapılan işlemlerde kömür hızlıca ısınmakta ve yapay gaz bileşiminde ve debisinde önemli değişikliklere sebep olmaktadır. su buharının gazlaştırma işleminde kullanılma zamanı ve kullanılma süreside işlemin ilerlemesinde önemli rol oynamaktadır. Su buharının ilk beslenmesinde kömür içerisinde sıcaklıklar düşerken bir süre sonra yapay gaz bileşiminde H2 oranında artış sağlamaktadır. Saf oksijenin uzun süreli beslemelerinde agromelasyon (camsı yapı) olarak adlandırılan yapı ortaya çıkmakta ve gazlaştırma işleminin ilerlemesinde yavaşlama veya durma meydana getirebilmektedir. YKG sürecinde parametre etkilerinin görebilmek için dokuz deney yapılmıştır. Bu çalışmada Yapılan işlemlerde kullanılan kömür numunesinin alt ısıl değerine bağlı olarak enerji potansiyeli hesaplamaları yapılmıştır. Gaz kromatografi ve taşınabilir analizör ile tespit edilen gaz bileşimine bağlı olarak açığa çıkan yapay gazın enerji potansiyeli hesaplamaları yağılmıştır. Açığa çıkan yapay gaz enerji potansiyeli ve kömür numunesinin başlangıçtaki enerji potansiyeli ile gazlaştırma verimi hesaplanmıştır. Küçük reaktör ile %17,3-%36,3 arasında verimle gazlaştırma işlemleri yapılmıştır. Büyük reaktör ile yapılan proseste gazlaştırma verimi %39,7 olarak hesaplanmıştır. Çalışmada ayrıca C (karbon) dengesi incelenmiştir. Küçük reaktörde yapılan proseste %27,5 oranında karbon dönüşümü sağlanmıştır ve %11 oranında karbon yanıcı gaz (CO,CH4) olarak dönüştürülmüştür. Büyük reaktörde yapılan proseste ise %42,9 oranında C (karbon) dönüşümü %21,3 yanıcı gaz olmak üzere sağlanmıştır. Sonuç olarak tek noktadan ateşleme yapılan gazlaştırma işlemlerinde gazlaştırma verimi %17,3-%39,7 arasında değişmiştir.
New approach of effective weld layout on vehicle body structure
The automotive industry is an important sector increasingly for developing country economies. In our country, automotive sector is one of the leading sectors in manufacturing industry. Competition within this sector is increasing rapidly. Therefore, efficient use of resources and shortening of the production time are very important factors. The most important material is steel in the automotive industry. Steel is widely preferred today due to material technology and production costs in despite of be aimed lighter vehicles for saving fuel. The steel industry has remarkable price performance and recycling possibilities. The joining of steel sheets is often done by welding in the automotive field. A resistance spot welding is used commonly. A commercial vehicle has on average around 3000 or 8000 spot welds. The number of spots is affected production times and production costs significantly. This issue has become increasingly important in recent years. For this reason, automotive main industrial companies continue to work on this issue. In this thesis, the spot welds on the commercial vehicle which is modelled with full-scale finite element have examined. The goal of this thesis is to obtain the optimal layout of the spot welds on the vehicle without any loss of structural strength and rigidity in addition to what is mentioned to reduce number of the spot welds. In order to determine the optimal layout of the spot welds, the vehicle model is filled with spot welds as many as possible in consideration of production constraints of welding. The spot welds which work efficiently are determined after topology optimization analysis. Effective spot welds will be preserved on the car. However, spot welds that do not work efficiently will be removed from the car. This approach is called density method in the topoloy optimization methodology. The new layout of the spot welds is revealed. The new layout of the spot welds should not cause any deterioration on performance of the vehicle to achive success criterion of the torsional, bending and modal analysis. Some loading scenario, constraints and acceptance are used during topology optimization to meet this criterions. As a result of the analysis, the number of the spotwelds is reduced 20%. There is almost 1-2% change in the bending and torsion stiffness. Also the results of the deflection and stress have no significant change. It can be expressed that the spot weld optimization has been applied to the vehicle model successfully. In conclusion, the number of spotwelds is an important issue for vehicle costs and production time. For this reason, the topic of the thesis has offered new approaches to give effective results in general terms.