4,973
Archived Theses
7
DOIs Assigned
0%
DOI Rate
Discipline
Biseps uzun başının tenodezinde kullanılan fiksasyon tekniklerinin füzyon öncesi ve sonrası biyomekanik karşılaştırılması
Omuz ekleminde hareketi engelleyen kemik türü bir yapı olmadığından, bu eklemde stabiliteden bir miktar ödün vererek geniş hareket açıklığını neredeyse tamamen yumuşak dokularla sağlanır. Bu durum omuz bölgesi yumuşak dokularının daha sık travmaya maruz kalmalarına sebep olmaktadır. Günümüzde biseps tendon patolojilerinin görülme sıklığı her geçen gün artmakta ve bu durum tedavinin önemini de arttırmaktadır. Tedavinin başarısızlığı omuz bölgesinde çok şiddetli ağrı ile hareket kısıtlılığına neden olarak hastaların yaşam kalitelerini ciddi oranda azaltmaktadır. Bu çalışmada en sık kullanılan iki tedavi yöntemi olan interferans vida ile tenodez ve sütur ankor ile tenodez yöntemi füzyon öncesi ve sonrası biyomekanik açıdan karşılaştırılmıştır. Kortikal kemik kalınlığının ve trabeküler kemik yoğunluğunun bu tedavi yöntemlerinin biyomekanik dayanımlarına olan etkileri de araştırılmıştır. Kemik yapısını taklit etmek için ASTM F 1839-08 standartlarına göre farklı kortikal kemik kalınlığında ve trabeküler kemik yoğunluğunda Poliüretan kemik blokları hazırlanmıştır. Kortikal kemik kalınlığının etkisinin araştırılacağı numunelerde trabeküler kemik yoğunluğu, trabeküler kemik yoğunluğunun etkilerinin araştırılacağı numunelerde kortikal kemik kalınlığı sabit tutulmuştur. Füzyon öncesi çekip çıkarma dayanımlarını belirlemek için yapay kemik bloklarına vidalar ve yapay tendonlar cerrahi yönteme uygun bir şekilde yerleştirilmiştir. Füzyon sonrası dönemi taklit etmek için vidalar ve yapay tendonlar, yapay kemik bloğunun üretilme aşamasında numuneye dahil edilmiştir. İki fiksasyon yöntemi için çekip çıkarma deneyleri yapılmıştır. Statik çekip çıkarma deneylerinde yük ve yer değiştirme değerleri kaydedilmiştir. Çevrimsel yükleme deneylerinde 10 N ön yüklemeden sonra çevrimsel olarak 50 N uygulanmıştır. Cerrahi sonrası bir ayı taklit etmek için yük oranı 10, dalga biçimi sinüzoidal, çevrim frekansı 1 Hz ve başarılı sayılan çevrim sayısı kırılma/kopma gerçekleşmeksizin 1.000 çevrim seçilmiştir. Çevrimsel yükleme deneyleri sonrası statik çekip çıkarma deneyleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlarda füzyon öncesi ve füzyon sonrası dönemde sütur ankor ile tenodez yönteminin biyomekanik performansının interferans vidasına göre anlamlı derecede daha iyi performansa sahip olduğu görülmüştür. Füzyon öncesi ve sonrası süreçte sütur ankor ile tenodez yönteminin mekanik performansı trabeküler kemik yoğunluğundan ve kortikal kemik kalınlığından ve çevrimsel yüklemeden etkilenmemiştir. Füzyon öncesi dönemde interferans vidası ile tenodez yönteminin biyomekanik performansının hem statik hem çevrimsel yükleme sonrası yapılan deneylerde trabeküler kemik yoğunluğu düştükçe azaldığı tespit edilmiştir. Füzyon öncesi ve sonrası dönemde interferans vidası ile fiksasyon tekniğinin biyomekanik performansı kortikal kalınlıktan etkilendiği tespit edilmiştir. Füzyon sonrası dönemde interferans vidası ile fiksasyonun füzyon öncesine göre çok daha iyi performans gösterdiği tespit edilmiştir. İnterferans vidası ile fiksasyon tekniğinin çekip çıkarma dayanımı füzyon öncesi çevrimsel yüklemeden etkilenmezken, füzyon sonrası dönemde ileri osteoporotik ve osteoporotik gruplarda çevrimsel yükleme sonrası çekip çıkarma dayanımının düştüğü gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar bilimsel açıdan tedavi protokollerinin gözden geçirilmesini sağlamıştır. Bu çalışma sonucunda elde edilen veriler göz önüne alınırsa interferans vidası ile tenodez yöntemi rehabilitasyona başlama zamanı için füzyon sonrası dönemi beklemenin uygun olacağı sonucuna varılmıştır. Elde edilen füzyon öncesi ve sonrası tüm veriler göz önünde bulundurulduğunda sütur ankor ile tenodez yönteminin kullanılması biyomekanik açıdan tavsiye edilmektedir. İleri osteoporotik hastalarda dahi cerrahi sonrasında hemen rehabilitasyon sürecine başlanabilmesi açısından sütur ankor ile tenodez yöntemi her yönden interferans vidasından üstün biyomekanik performans göstermiştir.
Femur kırıklarının intramedüller çivilemesinde eksternal fiksatör ile hibrit sabitlemenin biyomekanik olarak incelenmesi
Femur kemiği vücuttaki en uzun ve güçlü kemiktir. Femurun şaft kırıkları da sıkça karşılaşılan ve tedavi edilmesi gerek kırık tipleridir. Femur şaft kırıklarında tedavi yöntemi olarak intramedüller çivileme ve eksternal fiksasyon yöntemleri kullanılır. İntramedüller çivileme tekniğinde çivi femur kırık hattından geçerek femur kanalına yerleştirilir ve femurun distal ve proksimal uçlarından sabitlenir. İntramedüller çivileme yöntemi stabilitesi yüksek bir yöntemdir fakat distal uçta kemik ve çivinin bağlantısı operasyonu zorlaştırmaktadır. Eksternal fiksasyon yönteminde bir metal çubuk femur şaftının distal ve proksimal kısımlarından derinin dışından vidalar sayesinden femura sabitlenir. Eksternal fiksasyon yöntemi uygulanış olarak avantajlı bir yöntemdir fakat hizalama performası intramedüller çivileme tekniğine göre düşüktür. Diğer bir yandan da intramedüller çivileme tekniğinin rotasyonel performansı düşüktür. Bu çalışmada iki tekniğin dezavantalarını azaltacak iki tekniğin bir arada kullanıldığı hibrit bir teknik geliştirmesi amaçlanmıştır. Geliştirilen hibrit teknikte intramedüller çivi kırık hattından geçerek femur kanalına yerleştirilir ve eksternal fiksatör ile proksimal uçta kemiğe sabitlenir. Distal uçta intramedüller çivi serbest bırakılır, eksternal fiksatör vidalar ile kemiğe sabitlenir. Çalışmada bilgisayarlı tomografi ile elde edilmiş femur modeli kullanılmıştır. İntramedüller çivileme, eksternal fiksasyon ve hibrit teknik modelleri CAD programında modellenmiştir. Bu modeller kullanılarak tedavi yöntemlerinin üç boyutlu modelleri oluşturulmuş ve modellere statik eksenel basma testi ve statik burma testleri uygulanarak sonlu eleman analizleri yapılmıştır. Çıkan sonuçlarda modellerde meydana gelen deformasyon incelenmiş ve geliştirilen hibrit tekniğin diğer iki yöntemden daha stabil olduğu sonucuna varılmıştır.
Çoklu doğruluk dereceli modelleme tekniğinin çarpışma analizlerine uygulanması
Trafik kazalarının büyük çoğunluğunu önden çarpışmalı kazalar oluşturmaktadır. Önden çarpışmalarda aracın en önemli enerji yutucu yapısı tampon sistemidir. Çarpışma enerjisinin tampon tarafından emilmesi yolcu kabinine iletilen enerjinin azaltılmasına yardımcı olur. Dolayısıyla tampon sistemleri önden çarpışmalarda yolcu yaralanmalarının azaltılmasında rol oynayan kritik bir tasarım elemanıdır. Bu çalışmada tampon kirişi bal peteği yapılarla doldurulmuş bir tampon sisteminin çoklu doğruluk dereceli modelleme tekniği ile eksenel çarpışma performansının değerlendirilmesine çalışılmıştır. ECE R-29 yönetmeliği Birleşmiş Milletler Avrupa Ekonomik Komisyonu tarafından oluşturulmuş ağır ticari araçlar için zorunlu tutulan bir güvenlik gerekliliğidir. Üzerinde çalışılan tampon sisteminin çarpışma performansının değerlendirilmesi için ECE R-29 güvenlik yönetmeliği yükleme koşulları kullanılmıştır. İlk olarak ECE R-29 standardına uygun sarkaçlı test düzeneğinde çarpışma esnasında tampon sisteminin yerinde tutulabilmesi için rijit üç alternatifli bir test kaidesi tasarlanmıştır. Sonrasında 3 alternatifin sonlu elemanlar modeli üzerinde sayısal analizler koşturulmuş ve sonuçlar daha önceki testlerde başarısız olan kaide ile kıyaslanmıştır. Dayanıklılık, ağırlık ve maliyet kriterlerine göre alternatiflerden biri seçilerek tampon optimizasyonu simulasyonlarında bu kaide tasarımı kullanılmıştır. Tipik bir tampon sistemi bir adet tampon kirişi ve bu kirişin arkasına monte edilmiş iki çarpışma kutusundan oluşmaktadır. Sonrasında bu yapı araç şasisinin önüne monte edilir. Çalışmanın devamında tampon kirişinin çarpışma kutularının önüne denk gelen bölümüne iki parça bal peteği yapı olan jenerik bir tampon sistemi tasarımı yapılmıştır. Bu tasarlanan tampon sisteminin çarpışma kutusu uzunluğu, bal peteği yapı duvar açısı ve bal peteği yapı duvar kalınlığı değerleri çarpışma kuvveti verimi ve özgül enerji emilimi değerleri arasında uzlaşma sağlayan bir kompozit amaç fonksiyonu maksimize edecek şekilde optimize edilmiştir. İki farklı doğruluk derecesine sahip sonlu elemanlar modeli ile yapılan optimizasyonlar ve çoklu doğruluk dereceli optimizasyon metodu ile yapılan optimizasyonlar, optimizasyon performansları ve hesaplama zamanları açısından değerlendirilmiştir. Sonlu elemanlar analizleri için ticari bir sonlu elemanlar kodu olan LS-DYNA kullanılmıştır. Tasarım uzayının herhangi bir noktasında sonlu elemanlar modelinin yanıtının tahmin edilebilmesi için ikinci dereceden yanıt yüzey modelleri kullanılmıştır. Çalışma sonucunda optimum çarpışma kuvveti verimi ve özgül enerji emilimi için kısa çarpışma kutuları, yüksek bal peteği duvar açısı ve ortalama bal peteği duvar kalınlığı gerektiği bulunmuştur. Ek olarak düşük doğruluk dereceli modelin hesap zamanı açısından avantaj sağlamasına rağmen yüksek doğruluk dereceli modelin daha iyi bir optimum tasarım sunduğu, çoklu doğruluk dereceli optimizasyonun ise yüksek doğruluk dereceli modelin hassasiyeti ile düşük doğruluk dereceli modelin hesap zamanı avantajını birleştirdiği bulunmuştur.
Sıvı yakıtlı roket motorlarında çarpışmalı enjektörlerin atomizasyon karakteristiklerinin incelenmesi
Çarpışmalı jet enjektörler genellikle sıvı yakıtlı roket motorlarında kullanılan, uygulanabilirliği ve üretimi kolay yüksek verimli enjektör tipleridir. Özdeş veya farklı sıvı jetlerin belirli bir açıda belirli bir noktada çarpışmasını, çarpa sonucu sıvı bir tabaka oluşmasını ve oluşan tabakada meydana gelen kararsızlıklardan dolayı tabakanın koparak damlacıklara ayrılmasını sağlar. Jetlerin hızı, aralarındaki açı, sayısı ve içinden geçen sıvının özellikleri gibi parametreler birincil ve ikincil parçalanmayı belirler ve dolayısıyla yanma kararlılığı ve performansını doğrudan etkiler. Bu tez kapsamında ikili özdeş, ikili özdeş olmayan ve üçlü özdeş çarpışmalı enjektörlerin, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak analizleri gerçekleştirilmiştir. İlk olarak ikili özdeş çarpışmalı enjektör için analizler yapılmış ve literatürde bulunan deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. İkinci olarak da ikili eş olmayan ve üçlü eş çarpışmalı enjektör analizleri tamamlanmıştır. İlk kısımda, türbülansı modelleyebilmek için Büyük Burgaç Benzetimi ve zamana bağlı Reynolds-Ortalamalı Navier Stokes yaklaşımları kullanılmıştır. İki farklı yaklaşımın da literatürdeki deney sonuçlarına göre karşılaştırılması yapılmış olup 18.5 m/s giriş hızındaki özdeş jetlerin, sıvı tabaka oluşumu ve damlacık-boyut dağılımı incelenmiştir. Analizler için en küçük hücre boyutunu kontrol ederek dinamik çözüm ağı uygulanmış ve farklı sayıdaki çözüm ağlarının deneye olan yaklaşımı incelenerek, çözüm ağından bağımsızlaştırma işlemi gerçekleştirilmiş ve çözüm ağı II seçilerek sonraki çalışmalar bu çözüm ağı üzerinden devam etmiştir. İkinci kısımda ise, öncelikle özdeş olmayan ikili jetin çarpışma analizleri gerçekleştirilmiştir. Özdeş olmayan jetler için sıvı metan ve sıvı oksijen kullanılmış ve sıvı tabaka oluşumu ile damlacık çap dağılımı incelenmiştir. Özdeş olmayan ikili jet analizlerinden sonra üçlü çarpışmalı eş enjektör analizleri yapılmıştır. Üç enjektörden de ikili enjektör için kullanılan koşullarda su gönderilerek, sıvı tabakanın kopma uzunluğu ve damlacık-boyut dağılımının farklılıkları incelenmiştir. Bu kısımdaki analizler için çözüm ağı II kullanılmış ve yeni bir çözüm ağı çalışması yapılmamıştır. İkili çarpışmalı özdeş enjektör analizleri Faz Doppler Parçacık Analizörü (Phase Doppler Particle Analyzer-PDPA) sonuçları ile uyum içerisinde olup ikili özdeş olmayan ve üçlü çarpışmalı enjektörler için bir deney sonucu bulunmamaktadır. Genel olarak jet hızı arttıkça damlacık boyutları küçülmektedir. Bunun nedeninin hızların artmasıyla türbülansın güçlenmesidir. Türbülans ne kadar güçlenirse kararsızlık o kadar artacak ve parçalanma daha güçlü olacaktır.
Sıvı yakıtlı bir roket motorunun rejeneratif yöntemle hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve eşlenik ısı transferi kullanılarak soğutulması
Rejeneratif soğutma, sıvı yakıtlı roket motorlarının soğutulması için kullanılan bir yöntemdir. Roket motor duvarlarını soğutmak için sıvı yakıt (bazı motorlarda oksitleyici) duvarların içinde bulunan soğutma kanallarından geçerek duvarın motor boyunca soğumasını sağlar ve duvarların zarar görebileceği sıcaklığa ulaşmasını önler. Genel olarak en kritik yer, en yüksek ısı akısının meydana geldiği roket motoru yakınsak-ıraksak lülesinin boğaz bölgesidir. Rejeneratif olarak adlandırılan bu yöntem ile kanaldan geçen yakıtın sıcaklığı enjektöre kadar sürekli artar ve böylece yakıtın iç enerjisi yükselmiş olur ve bu olay yanma verimliliğine ve kararlığına olumlu yönde etki eder. Ancak, rejeneratif soğutma işlemi, kanaldan geçen yanıcı basıncının düşmesine neden olur. Bu nedenlerden dolayı, rejeneratif soğutma işleminde en iyi verimi elde etmek için düşük basınç kaybı ve düşük duvar sıcaklığı hedeflenmelidir. Wadel ve Meyer'in çalışmaları simülasyonların doğrulanması için kullanılmıştır. Rejeneratif soğutma analizlerinde zamandan bağımsız 3 boyutlu, türbülanslı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği farklı türbülans modelleri ve eşlenik ısı transferi ticari bir yazılım kullanılarak çözülmüştür. Yanma sonucu oluşmuş sıcak gaz karışımından kaynaklanan ısı akısı Bartz denklemi kullanılarak modellenmiştir. Rejeneratif soğutma analizleri için, literatürdeki çalışmalar incelenmiş ve deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Doğrulama çalışmasından sonra, yakıt dağıtıcısının rejeneratif soğutma kanallarına yakıtı nominal kütlesel debiden farklı dağıttığı koşulların soğutmaya olan etkisi incelenmiştir. Rejeneratif soğutma kanallarından bir tanesinin tıkanması durumunda roket motor duvarındaki sıcaklık değişimleri araştırılmıştır. Bunlara ek olarak, soğutma kanallarının sayısı ve boy-en oranı için farklı geometrik konfigürasyonların soğutma üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Aerodinamik Isınmanın ve Isıl Koruma Sistemlerinin Aerodinamik Isınmaya Bağlı Termo-Kimyasal Aşınmasının İncelenmesi
Bu tez çalışmasında, yüksek hızlı füzelerin aerodinamik ısınma kestirimi ve aerodinamik ısınma altında ısıl koruma sistemlerinde oluşan aşınmanın incelenmesi amaçlanmıştır. Bu süreçte bir boyutlu AeroheataBS (Aerodynamic Heating and Ablation Simulation) adıyla bir çözücü geliştirilmiştir. Aerodinamik ısınma analizleri için füzeye ait zamana bağlı uçuş hızı, irtifa ve hücum açısı girdi olarak kullanılmıştır. Atmosferik özellikler irtifaya bağlı bir şekilde standart atmosfer modeli kullanılarak çözüme yansıtılmıştır. Aerodinamik ısınmanın hesaplanmasında dış akış bağıntılarından yararlanılmış, yüksek hızlardaki sıkıştırılabilirlik etkileri Eckert Referans Sıcaklık yöntemiyle dikkate alınmıştır. Sınır tabaka kenar çizgisi üzerindeki akış özellikleri şok bağıntılarıyla, yüzey basıncı ise değiştirilmiş Newton kuramı kullanılarak hesaplanmıştır. Malzemenin termo-kimyasal bozunması Arrhenius denklemiyle modellenmiştir. Yüzey aşınması malzemenin etkin bozunma ısısı kullanılarak çözücüye eklenmiştir. Sınır tabakaya salınan bozunma reaksiyonu ürünlerinin, taşınım ısı geçişine etkisi matematiksel olarak modellenmiştir. Bünye denklemleri açık sonlu fark yaklaşımıyla ayrıklaştırılmış ve çözülmüştür. Gövde ve yalıtım üzerinde oluşturulan çözüm ağının her bir düğüm noktasında zamana bağlı sıcaklık hesaplanmıştır. Malzeme özellikleri sıcaklığa bağımlı olarak kullanılmıştır. Çözücünün doğrulama çalışmaları analitik çözümler, uçuşlu test verileri, yer testi ölçümleri ve HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri ile gerçekleştirilmiştir. X-15, HIFiRE-5 sistemlerinin uçuşlu test verilerine ilaveten ısıl tasarımı yapılan bir füzeye ait gövde ile kanard sıcaklıkları da kullanılmıştır. Kıyaslamalarda gövde içerisinden ölçülen ve telemetre ile yer istasyonuna indirilen sıcaklık verileri kullanılmıştır. Açık erişim yayınlarından ulaşılan ve sözü geçen alanda güvenilirliği kanıtlanmış FIAT yazılımına ait sonuçlarla da kıyaslamalı değerlendirmeler yapılmıştır. Sabit aşınma hızı altındaki doğrulama çalışmalarında MSC MARC yazılımı kullanılmıştır. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizleri küt burunlu bir geometri kullanılarak Eşlenik Isı Transferi yöntemiyle yürütülmüştür. HAD ve AeroHeataBS analizleriyle elde edilen, konik ve silindirik bölgelere ait sıcaklık değerlerinin birbiriyle oldukça uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Geliştirilen yöntem ile laminer rejimden türbülanslı rejime geçiş için kullanılan cebirsel bir modele ait katsayılar türetilmiş ve elde edilen geçiş modeli uçuşlu teste ait gövde sıcaklık verileri ile doğrulanmıştır. Tez kapsamında oksi-asetilen test düzeneği kullanılarak yüksek ısı akısı altında iki farklı ablatif malzemenin karakterizasyonu yapılmıştır. Testlerde numune yüzeyinden ve numune içerisinden termal kamera ve ısılçift kullanılarak sıcaklık ölçülmüştür. Numunelerin gösterdiği ağırlık kayıpları kullanılarak malzemeye ait etkin bozunma ısısı elde edilmiş, ölçüm sonuçları AeroheataBS analizlerinde kullanılmıştır. Sonuç olarak, geliştirilen yöntemin yüksek hızlı füze ve fırlatma araçlarının aerodinamik ısınma altında yörüngeye, geometriye ve malzemeye bağlı parametrik ısıl tasarımında kullanılabileceği görülmüştür. Dakikalar mertebesinde süren analizler ile uçuş yörüngesine bağlı sıcaklığın, ısıl aşınmanın ve aerodinamik ısınmanın yüksek doğrulukta kestirimi tasarım sürecinde kayda değer seviyede zaman kazancı sağlamaktadır.
Yeni bir güç dağıtımlı sonsuz değişken oranlı transmisyon geliştirilmesi
Son yıllarda, güç dağıtımlı sonsuz değişken oranlı transmisyon (PS-IVT) sistemleri, özellikle yol dışı araçlar ve tarım makinelerinde yüksek toplam verimlilikle birlikte yüksek sürüş konforu sağladıkları için büyük dikkat çekmiştir. Bu tez çalışmasında, yakıt tüketiminde avantaj sağlamak için yeni bir güç dağıtımlı giriş bağlantılı sonsuz değişken oranlı transmisyon sistemi geliştirilmiştir. Her ne kadar PS-IVT'nin verimliliğinin konvansiyonel bir transmisyondan daha düşük olduğu bilinmesine rağmen PS-IVT sistemler, içten yanmalı motorun sürülmesinde sürekli değişken transmisyon oranına izin vererek ve optimum şekilde kontrol edilmesini sağlayarak yakıt tüketimini azaltabilir. Bu çalışmada, konvansiyonel transmisyonla karşılaştırıldığında PS-IVT kullanarak daha düşük yakıt tüketimi değerleri elde etmek amaçlanmıştır. Güç akışı ve Willis transmisyon oranı gibi çeşitli dinamik parametrelerin sistemin mekanik verimliliği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Yeni sistemin kinematik analizi yapılmış ve ek olarak, sonsuz değişken birimden (IVU) akan gücün bağıntıları olarak güç akış denklemleri elde edilmiştir. Kinematik analizin sonuçları, mekanik verim ile ilgili olan ana parametrelerin, kesinlikle IVU'dan geçen güç ve tork ile ilgili olduğunu göstermektedir. Ardından, geliştirilen yeni transmisyon sistemi, doğrusal araç dinamiği modeli kullanılarak konvansiyonel mekanik bir transmisyonla sanal yoldaki yakıt tüketimi açısından karşılaştırılmıştır. İki farklı transmisyon türünden elde edilecek yakıt tüketim değerlerini belirlemek için gerçek kullanıcıdan, gerçek zamanlı olarak ve gerçek bir traktörün küresel konumlandırma sistemi (GPS) verisi toplanmış ve söz konusu aracın sürüş dirençleri doğrusal araç dinamiği modeli ile belirlenmiştir. Geliştirilen kinematik modele dayanan teorik hesaplamalar yeni PS-IVT sisteminin mekanik verimlilik değerlerinin belirlenmesinde kullanılırken konvansiyonel transmisyonun mekanik verimlilikleri için deneysel veriler kullanılmıştır. Dört silindirli common-rail turbo dizel motorun frenli özgül yakıt tüketimi (BSFC) haritası kullanılarak iki farklı transmisyon tipi için yakıt tüketimi değerleri kütle cinsinden kıyaslanmıştır. Yakıt tüketimi simülasyonları MATLAB ortamında bu çalışma için geliştirilen kodla yapılmış ve sekiz farklı senaryo ile iki farklı güç yönetimi stratejisi değerlendirilmiştir. Uygun bir güç yönetim stratejisi ile PS-IVT sisteminin konvansiyonel mekanik transmisyona kıyasla yakıt tüketiminde kütlece %8.2'lik bir düşüş elde edebileceği tespit edilmiştir.
Düz dişlilerdeki muhafaza boyutu ve dönme hızının hava sürtünme kaybı üzerindeki etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Bu tezde, iki fazlı (hava-yağ) ortamda bulunan muhafaza içerisindeki düz dişlilerin sahip olduğu hava sürtünme güç kaybı değerleri üzerinde muhafaza boyutu ve dönme hızının etkisi incelenmiştir. Bu etkileri incelemek adına oluşturulan sayısal model hesaplamalı akışkanlar dinamiği metotları kullanılarak oluşturulmuştur. Sayısal modelin oluşturulmasında CFD++ yazılımı, sayısal ağ yapısının oluşturulmasında Pointwise yazılımı, dişli geometrisinin çiziminde ise AutoCAD programı kullanılmıştır. Oluşturulan sayısal model üç boyutlu (3-D) olarak çözülmüştür. Hesaplama gücünün el verdiği miktarda hücre oluşturularak sayısal ağ yapısının sık ve düzgün bir şekilde oluşturulması sağlanmıştır. Modeli doğrulamak ve güvenilirliğinden emin olmak adına literatürde sonuçları bulunan bir dişli geometrisi seçilmiştir. Diş boşluğundaki akışı daha detaylı bir şekilde incelemek ve hesaplama süresinden tasarruf elde edebilmek adına tek diş boşluğu için çalışmalar yapılmıştır. Tek diş için elde edilen güç kaybı değerini diş sayısı ile çarparak tüm dişlide meydana gelen güç kaybı değeri hesaplanmıştır. Hava sürtünme kaybı üzerinde muhafaza boyutunun etkisini incelemek adına 4 farklı muhafaza konfigürasyonu için analizler tekrarlanmıştır. Analizlerde eksenel muhafaza boyutu 3.6 mm olarak sabit tutulurken, radyal muhafaza boyutu da 3.6 mm ve 14.4 mm arasında 4 farklı değer olarak alınmıştır. Yine aynı şekilde hava sürtünme kaybı üzerinde dönme hızının etkisini incelemek adına 400 rad/s, 500 rad/s, 600 rad/s ve 700 rad/s dönme hızı değerleri için analizler tekrarlanmıştır. Ayrıca ortam farkının hava sürtünme kaybı üzerindeki etkisini görmek için iki fazlı ortamdaki hava sürtünme güç kayı değerleri tek fazlı ortamdaki hava sürtünme güç kaybı değeri ile karşılaştırılmıştır. İkincil faz olan yağı modelde tanımlamak için CFD++ yazılımı içerisindeki Eulerian Dağınık Fazı (EDP) modeli kullanılmıştır. Bu modelde gerçek bir yağlama modelini yansıtması açısından farklı tanecik boyutlarına sahip yağ parçacıkları tanımlanmıştır. 2 μm ve 10 μm arasında değişen 5 farklı tanecik çapı belirlenmiştir. Her bir farklı tanecik çapına sahip parçacığın sistemde yer alan toplam yağ miktarı oranı ise Rosin-Rammler dağılım fonksiyonu yardımı ile belirlenmiştir.
Duyguların sanal ortamda dokunsal etkileşimle ifade edilmesi
Bu çalışmanın amacı, evrensel beş duygunun sanal ortamda kuvvet geri beslemeli haptik (dokunsal) cihaz aracılığıyla nasıl ifade edildiğinin incelenmesidir. Katılımcılardan, haptik cihaz aracılığıyla, duvara projeksiyonla yansıtılmış olan 3D kadın ve erkek modele farklı kültürlerde yüz ifadesi ve vokal olarak tanınırlığı kanıtlanmış beş duyguyu iletmeleri istenmiştir. Bir başka deyişle araştırmanın, modelin cinsiyeti ve ifade edilmesi istenen duygular olmak üzere iki bağımsız değişkeni bulunmaktadır. Araştırmanın dizaynı 2x5 denek içi dizayndır. Bugüne kadar yapılan araştırmalar dokunuşun insanlar üzerinde bu kadar etkileyici olmasının nedenlerini henüz ortaya çıkarmamıştır ve bu davranışsal fenomenlerin altında yatan bilişsel, sinirsel ve fizyolojik mekanizmalar hakkında çok fazla şey bilinmemektedir. Bu nedenle sanal ortamda insan-makine etkileşiminin bir örneği olan, aynı zamanda beş evrensel duygunun; bağımlı değişkenler olan dokunma konumu, dokunma kuvveti yoğunluğu, dokunma hızı ve dokunma süresi bakımından parametreleştirilmesine katkı sağlayacağı öngörülen ve bu parametrelerin insansı robotlara entegre edilmesine öncü olması hedeflenen bu çalışma seçilmiştir. Bu çalışmanın diğer çalışmalardan farkı, çok yönlü (altı serbestlik dereceli) bir haptik cihaz yardımıyla C++‟ta yazılan program aracılığıyla sanal ortamda insan modeli simüle edilerek duygu iletme çalışmasının yapılmasıdır. Duygu iletme çalışmasından elde edilen sonuçlar, farklı duygular ifade edilirken türetilmiş parametreler bakımından farklılıklar olduğunu ve bu varyansların anlamlı yollarla ölçülebileceğini göstermiştir. Sonuçlar, aktif duygu olan öfke duygusunun uzun, hızlı ve kuvvet yoğunluğu fazla dokunuşlarla tanımlanabileceğini, pasif duygu olan hüzün duygusunun ise kısa, yavaş ve kuvvet yoğunluğu az dokunuşlarla tanımlanabileceğini göstermiştir. Ayrıca model cinsiyeti değişkeni temel etkisinin, ortalama dokunma süresi ve ortalama dokunma hızı bakımından anlamlı farklı olduğu gözlemlenirken, ortalama dokunma kuvveti yoğunluğu bakımından anlamlı farklı olmadığı görülmüştür.
Uçak kanadı üzerinde deformasyondan dolayı değişen yük dağılımının hesaplanması için bir parametrik modelleme yönteminin geliştirilmesi
Akışkan-Yapı Etkileşimi etkisi havacılık uygulamalarında incelenen önemli konulardan biridir. Rijit olmayan yapıların, yapı etrafındaki hava hareketlerinin oluşturduğu yükten dolayı şekli değişmektedir. Şekil değişimi ise yapı etrafındaki hava hareketlerini doğrudan etkilemektedir. Uçak için akışkan-yapı etkileşimi düşünüldüğünde uçak kanadı için bu etkinin incelenmesi gerekmektedir. Çünkü uçak kanadı uçağın ana taşıyıcı elemanıdır ve esnek bir yapıya sahiptir. Uçak kanadı üzerindeki şekil değişimi, akışkan-yapı etkileşiminden meydana gelmektedir. Akışkan-yapı etkileşimi etkisinin hesaplamalara dâhil edilmesi yüksek hesaplama maliyeti gerektirir. Bu tez çalışmasında bir uçak kanadı üzerinde deformasyondan dolayı değişen yük dağılımının tekrar hesaplanması için parametrik bir yöntem geliştirilerek etkin bir biçimde sonuca ulaşılması gösterilmektedir. Çalışmanın temeli hızlı ve etkili bir sonuç almak olduğu için akışkan ve yapısal analiz kısımlarında ayrı ayrı basitleştirmeler yapılmıştır. Yüksek çözünürlüğe sahip yapısal model çok daha basit bir yapı olan çubuk modele yapının özellikleri de korunarak indirgenmiştir. Böylece belli bir yük altında yapının şekil değişimi hızlıca tahmin edilebilmektedir. Akışkan analizlerinde ise yüksek hesaplama maliyeti olan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri kullanmak yerine doğrusal aerodinamik varsayımından yararlanılarak kanat üzerindeki basınç katsayısı dağılımı ve buna bağlı yük tahmini yapılmıştır. Doğrusal aerodinamik varsayımı için 'Aerodinamik Etkileşim Katsayıları (Aerodynamic Influence Coefficient (AIC))' matrisi kullanılmıştır. Bu matris şekil değişim bilgisine karşılık gelen basınç katsayısı değişim bilgisini içermektedir. Parametrik yüzey modelleme yöntemlerinden biri olan Bezier yüzey fonksiyonları yardımıyla AIC matrisi oluşturulmuştur. Uçak kanadı dış yüzeyi bu amaç için Bezier yüzey modelleme yöntemi kullanılarak oluşturulmuştur. Yüzey oluşturulurken kullanılan kontrol noktaları (control vertices (CVs)) deforme olmuş yapının yük dağılımını tahmin etmek için kullanılır. Her bir kontrol noktasının bir birim yer değiştirmesine karşılık gelen değişen yük dağılımı bilgisi AIC matrisi içinde birleştirilir. Bu yöntemin en büyük avantajı yüzey üzerindeki tüm noktalara belirli yer değiştirme değeri uygulamak yerine çok daha az sayıdaki kontrol noktalarına yer değiştirme değeri uygulanmasıdır. Ayrıca kontrol noktalarının yer değiştirmesi pürüzsüz bir şekil değişimi olmuş yüzey elde edilmesini de sağlamaktadır. Bu sayede hesaplama maliyeti yüksek olan akışkan analizi yapmak yerine parametrik modelleme yaklaşımı ile AIC matrisi oluşturulup uçak kanadı üzerindeki değişen yük bilgisi hızlı ve etkili bir biçimde tahmin edilebilmektedir. Daha basit modele indirgenmiş yapısal modelden elde edilen şekil değişim bilgisi kontrol noktaları üzerine aktarılarak şekil değişimine uğramış uçak kanadının yüzeyi Bezier yüzey fonksiyonları ile elde edilir. Kontrol noktalarının yeni konumu AIC matrisi ile ilişkilendirildiğinde uçak kanadı üzerindeki değişen yük dağılımı elde edilir. Bu çalışmada kullanılan yöntemler, bir uçağın ön tasarım aşamasında veya iteratif olarak yapılan aeroelastik analizler için hızlı ve etkili bir biçimde sonuca ulaşılmak istendiğinde kullanılabilir. Ayrıca önerilen metodun kullanımı sadece uçak kanadı için değil akışkan-yapı etkileşimi olan diğer yapıları da kapsamaktadır. Anahtar Kelimeler: Akışkan-yapı etkileşimi, Bezier yüzey modelleme, Aerodinamik etkileşim katsayıları matrisi, Aeroelastisite, Multi-fizik.
Paletli bir zırhlı aracın süspansiyon sisteminin saha verileri ile hata türleri ve etkileri analizi sonuçlarına göre güvenilirlik merkezli bakım planlaması
Güvenilirlik merkezli bakım 1970'li yılların başından itibaren havacılık sektöründe önemli hale gelmeye başlamıştır. Nowlan ve Heap tarafından (1978) Amerikan Hava Kuvvetleri için hazırlanan güvenilirlik merkezli bakım raporu ile birlikte bu alandaki çalışmalar yoğunlaşmıştır. Yapılan tez çalışması ile günümüzde havacılık sektöründe yaygın olarak kullanılan güvenilirlik merkezli bakım uygulamasının zırhlı kara araçları süspansiyon sistemi üzerinde bir örneğinin geliştirilmesi üzerinde durulmaktadır. Güvenilirlik merkezli bakım uygulaması geliştirilirken saha arıza verileri ve süspansiyon sistemi Hata Türleri ve Ektileri Analizi (HTEA) sonuçları kullanılmıştır. Uygulamayı gerçekleştirmek için Türk Ordusu Zırhlı Muharebe Araçları'nın saha arıza kayıt verilerinden süspansiyon sistemi arıza verileri incelenmiştir ve sınıflandırılmıştır. Veriler uygun hale getirildikten sonra parça hata oranları Reliasoft yazılımı kullanılarak uygun dağılımlar seçilerek hesaplanmıştır. Aynı zamanda paletli zırhlı araçlar süspansiyon sistemi için HTEA benzeri bir bilgi formu yapılmıştır. Çıkan sonuçlar güvenilirlik merkezli bakım akış şemasına uygun şekilde değerlendirilmiştir ve zırhlı paletli araçların süspansiyon sistemi için güvenilirlik merkezli bakım oluşturulmuştur. Güvenilirlik merkezli bakım uygulaması ile birlikte süspansiyon sisteminin hazır bulunuşluk, ürün emniyeti, ürün kalitesi, ürün ömrü, ömür devri maliyetinde meydana gelen olası değişiklikler değerlendirilmiştir. Güvenilirlik merkezli bakım çalışması sonucunda, mevcut tedarikçi ve tecrübeye dayalı bakım planlamasına göre hazır bulunuşluk süresinde %6 iyileştirme ve sahada yaşanan yıkıcı şiddete sahip arızaların tamamen engellenmesi sağlanmıştır.
Bir dizel motorda hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak özgül yakıt tüketimi ve emisyonlar açısından piston çanak geometrisinin optimizasyonu
Bu tez çalışmasında, bir dizel motorun piston çanak geometrisi özgül yakıt tüketimi açısından Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak optimize edilmiştir. Bir boyutlu gaz değişim analizi yardımıyla motor performans karakteristiği incelenmiştir. AVL Boost programı, bir boyutlu gaz değişim analizi ve motor performans karakteristiklerini belirlemek için kullanılmıştır. HAD analizlerinde öncelikle hava akış karakteristiği incelenmiştir. İki emme portuna sahip motorun döngü analizleri çalışılmıştır. Ticari HAD programı STAR-CD döngü analizleri için kullanılmıştır. Öncelikle, döngü analizleri kötü, orta ve iyi ağ yapılarında çalışılmıştır. Orta ve iyi ağ sonuçları birbirine oldukça yakın çıktığından, geri kalan HAD simülasyonları orta ağ yapısında gerçekleştirilmiştir. Türbülans modelinin döngü sayısı üzerindeki etkilerini görmek için Standard k-e, Realizable k-e ve RNG k-e türbülans modelleri kullanılmıştır. Motor valf hareketleri ve silindir bölgesindeki pistonun yukarı ve aşağı hareketi sonucu hücrelerin, katmanların eklendiği ve silindiği piston olayları için STAR-CD alt modülü olan ES-ICE programı kullanılmıştır. Reaktif Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (RHAD) simülasyonları, periyodik sınır koşulu kullanan ve bir yakıt enjektör deliğine karşılık gelen 45 derecelik sektör geometrisinde gerçekleşmiştir. Hesaplamalar, emme ve egzoz valfleri kapalı olduğu 600-800° krank açıları (KA) arasında 200° KA süresince gerçekleştirilmiştir. ECFM-3Z, Extenden Coherent Flame Model -3 Zone, yanma modeli olarak kullanılmıştır. Sıvı Dizel yakıtın iki fazlı modeli için Lagrangian yaklaşımı kullanılmıştır. Sprey oluşum ve atomizasyonunu simüle etmek için Bag Break-Up ve Stripping Break-Up modellerinin oluşturduğu Reitz ve Diwakar ayrışma modeli kullanılmıştır. Uzaysal ve zamansal ayrıştırma ve türbülans modelleme etkileri dikkatle incelenmiştir. Sonuçların doğruluğu, HAD tahminleri ile ölçüm verileri silindir içi basınç ve açığa çıkan ısı yayılımı karşılaştırılarak gösterilmiştir. 0.1° krank açısına karşılık gelen zaman adımı ile orta hesaplama ağ yapısını kullanan reaktif HAD tahminleri, ölçülen verilere kıyasla %2.3'lik bir tutarsızlık göstermektedir. Tahminlerin doğruluğu gösterildikten sonra, optimizasyon çalışması için piston çanak geometri parametreleri belirlenmiştir. Seçilen 9 parametre HEEDs programının SHERPA algoritması kullanılarak, Özgül Yakıt Tüketimini (ÖYT) göre optimize edilmiştir. 92 farklı geometrinin analizi sonucunda güç açısından %5.8, özgül yakıt tüketimi açısından %5.5 oranında iyileşme sağlanmıştır. Fakat optimize edilmiş yeni piston çanak geometrisinin mevcut tasarıma göre NOx emisyonunda %15 artışa sebep olduğu gözlemlenmiştir.
Eklemeli imalat yöntemi ile Tİ6AL4V alaşımından trabeküler omurlararası füzyon kafesi tasarımı, üretimi ve biyomekanik karakterizasyonu
Kranium adı verilen kafa kemiklerinin altından başlayıp, kuyruk sokumuna kadar devam eden, yumuşak dokular ve omurlardan oluşan omurga insan vücudunun fonksiyonel ve karmaşık önemli bir parçasıdır. Omurganın bölümlerinden olan, büyük mekanik ve işlevsel öneme sahip omurlar arası disk, günlük aktiviteler sırasında basma, bükme ve burulma kombinasyonu başta olmak üzere karmaşık yüklere maruz kalır. Bu yapının, yük dağıtma, yük taşıma ve aşırı hareketi engelleme gibi kritik görevleri vardır. Bu nedenle, omurlar arası diskte meydana gelen olası patolojik değişiklikler, omurgada fonksiyon bozukluklarına neden olabilir. Omurga rahatsızlıklarının ve dejeneratif disk hastalıklarının tedavisinde füzyon cerrahisi standart tedavi yöntemi haline gelmiştir. Omurlar arası füzyon kafesler, disk mesafesinin restore edilerek yüksekliğin korunmasını sağlamak amacıyla ve diskektomi işlemi sonrası füzyon sağlanması amacıyla spinal cerrahide yaygın olarak kullanılmaktadır. Omurlar arası füzyon kafesler tasarlanırken ve üretilirken kullanılacak malzeme seçiminde, osseointegrasyon kabiliyeti yüksek olması, çok iyi mekanik özelliklere, yüksek korozyon direncine ve yüksek aşınma direncine sahip olması önemli parametrelerdir. Artan osseointegrasyon, daha çok kemik implant etkileşimi ve daha güçlü mekanik mukavemet sağlayacağından, bu tez kapsamında osseointegrasyon artırmak için, yeni bir üretim tekniği olan ve son zamanlarda yaygın olarak kullanılan, üç boyutlu yazım olarak da bilinen eklemeli imalat yöntemi kullanılmıştır. Gözenekli omurlar arası füzyon kafesi geliştirerek, titanyum kafeslerin elastikiyet katsayısını azaltarak, esneklik özelliklerini doğal kemik dokusuna daha yakın hale getirmek amacı doğrultusunda, bu tez çalışmasında eklemeli imalat yöntemi (EİY) ile Ti-6Al-4V alaşımından trabeküler omurlar arası füzyon kafesi tasarımı, üretimi ve biyomekanik karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Uygun üretim parametrelerini belirlemek amacıyla literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Yapılan literatür taraması sonucunda, yorulma performansını değerlendiren çalışmalar görülememiştir. Mevcutta yapılmış olan mekanik, klinik çalışmalar ve analizler sonucu, EİY ile üretilecek olan omurlar arası füzyon kafesinin en uygun üretim parametreleri belirlenmiştir. Üretim tekniği olarak da doğrudan metal lazer sinterleme (DMLS) seçilmiştir. Üretim sonrası, ısıl işlem yaptırılmasına karar verilerek, farklı tasarımlar oluşturulmuştur. Seçilen parametreler üreticiye gönderilerek, farklı tasarımları üretmesi sağlanmıştır. Üretilen farklı tasarıma sahip omurlar arası füzyon kafeslerinin statik ve dinamik performansı, ASTM' nin ilgili standartlarına göre gerçekleştirilen biyomekanik testler ile değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, osseointegrasyon kabiliyeti olan, yüksek biyomekanik performansa sahip, eklemeli imalat yöntemi (EİY) ile üretilebilen Ti-6Al-4V alaşımından, trabeküler omurlar arası füzyon kafesi geliştirilmiştir.
Talaşlı imalat ve aşındırıcılı su jeti işlemlerinin kompozit balistik malzemeler üzerinde karşılaştırmalı deneysel çalışması ve eniyilenmesi
Kompozit malzemelerin tüm dünyada, özellikle havacılık ve savunma sanayilerindeki kullanımları gün geçtikçe artmaya devam etmektedir. Sivil havacılıkta önde gelen hedef, yakıt ekonomisini artırmak olup, bu hedefe ulaşım uçak gövdelerinde her geçen gün daha fazla kompozit esaslı malzemelerin kullanılması olarak ilerlemektedir. Savunma sanayinde ise kompozitlerin çeşitli yapısal elemanlar ve zırh malzemeleri olarak kullanımı artarak devam etmektedir. Bu sanayide dayanım-ağırlık oranını artırmak, yani ürünlerdeki mukavemeti artırırken aynı zamanda ağırlıklarını azaltmak en önemli motivasyondur. Ülkemizde Ankara bölgesinde bulunan pek çok havacılık ve savunma sanayi firmasının kompozit malzeme kullanımının, dünyadaki bu gelişmelere paralel olarak sürekli arttığı izlenmektedir. Bu malzemelerin ilk işlemlerinden sonra, havacılık ve savunma sanayilerinin ihtiyacı olan hassas boyutsal isterlere göre net-şekle getirilmeleri kritik önem taşımakta olup, bu alanda talaşlı imalat ve aşındırıcılı su jeti rekabet eden iki ana teknoloji olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında savunma sanayisinde hafif balistik zırh malzemesi olarak sıklıkla kullanılan Aramid Fiber Takviyeli Polimer Matris (AFRP) ve Ultra Yüksek Modulus Polietilen (UHMWPE) üzerinde, trim, delik ve cep operasyonları gerçekleştirmek suretiyle, talaşlı imalat ve aşındırıcılı su jeti teknolojileri kullanımı sırasında, parametrelerin performans ölçütleri üzerindeki etkilerini anlamak için pek çok sayıda deney yapılmıştır. Bu deneyler, deney tasarımı yöntemi ile tasarlanmış ve sonuçları varyans analizi ve yanıt yüzey metotları ile incelenmiştir. Ayrıca örnek işlemlerden alınan numuneler, SEM mikroskopu ile incelenerek kesim yüzeylerinin morfolojileri araştırılmıştır. Deneyler sonucunda elde edilen regresyon bağlantıları kullanılarak, seçilen operasyonlar üzerinde Parçacık Sürü yöntemi (PSO) ve Bastırılmamış Sınıflandırmalı Genetik Algoritma (NSGA-III) ile çok-amaçlı eniyileme çalışmaları yapılmış. Bu çalışmalarda özellikle çelişen performans ölçütlerinin ödünleşmelerini gösteren 3-Boyutlu Pareto optimal çözüm setleri elde edilmiştir. Son aşamada, elde edilen tün sonuçlar, talaşlı imalat ve aşındırıcılı su jeti işlemlerinin avantaj ve dezavantajları karşılaştırabilmek için değerlendirilmiştir.
Bir francis türbin performansının, hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve saha verimlilik ölçümleriyle incelenmesi
Hidroelektrik santrallerde elde edilen elektrik enerjisi, öncelikle akan suyun enerjisinin hidrolik türbin yardımıyla mekanik enerjiye çevrilmesi sonrasında jeneratör yardımıyla bu mekanik enerjisinin elektrik enerjisine döndürülmesiyle elde edilir. Hidrolik türbinler ile ilgili literatüre bakıldığında Francis tipi, Kaplan tipi ve Pelton tipi başta olmak üzere çeşitli hidrolik türbin tipleri bulunduğu görülür. Debi, düşü ve enerji üretim büyüklüğü gibi santral çalışma koşulları belirlendikten sonra bu değerlere uygun türbin tipi seçilir. Günümüzde en yaygın olarak kullanılan türbinler Francis tipi türbinlerdir. Karmaşık kanat geometrisi olan çark, Francis tipi türbinlerdeki en önemli parçadır. Suyu yönlendirebilmesi ve istenen performans değerini sağlaması açısından çark kanatları dönüşlü ve değişken üç boyutlu bir profile sahiptir. Karmaşık yapıdaki çark kanadı profili ve genelde bu profillerin şirketlerin gizli bilgisi olması, bu profillere erişimi kısıtlar. Teknik resim verilerinden ise çarkın tüm geometrisi elde edilemez. Dolayısıyla, hidroelektrik santrallerde yapılacak olan rehabilitasyon çalışmalarında mevcut çark, tarama yardımıyla tersine mühendislik yapılarak çark geometrisi elde edilmeye çalışılır. Bunun yanında, geometri elde edildikten sonra meridyonel görünüm, kanat açılarının dağılımı ve kanat kalınlık dağılımı gibi kanat tasarım değişkenlerinin de elde edilmesi gerekir. Bu parametreler elde edildikten sonra ortaya çıkan kanat yapısıyla Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile doğrulama analizlerinin de yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, Altınkaya Hidroelektrik Santralinde, Romer Absolute Arm portatif lazer tarayıcı ile sahada türbin parçalarının taranması, 3 boyutlu nokta bulutunun elde edilmesi, bu nokta bulutundan katı modellerin elde edilmesi, çark ve diğer aksamların matematiksel modelinin oluşturulması, tüm türbine ait kararlı ve kararsız HAD analizlerinin yapılarak, verim tepe diyagramı ile diğer çalışma özelliklerinin belirlenmesi ilk aşaması olarak belirlenmiş ve bu işlemler sırasıyla gerçekleştirilmiştir. Daha sonra saha verim ölçümü yapılarak, yapılan bu ölçümler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemiyle elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sayısal yöntemlerle elde edilen tepe diyagramı ile saha ölçümlerinin karşılaştırılmıştır.
Kompozit malzemelerde mod I ve mod II yükler altında hasar davranışının peridinamik teori kullanılarak incelenmesi
Kompozit malzemeler yüksek mukavemet ve direngenlik özelliklerinden dolayı havacılık, savunma sanayi, otomotiv gibi çeşitli sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kompozit malzemelerde meydana gelen hasar, yapının dayanımını etkiler. Kompozit malzemelerde oluşan başlıca hasar davranışları liflerin kırılması, matriste mikro çatlakların oluşması ve delaminasyon olup bu hasar tiplerinin en yaygın olanı delaminasyon olup kompozit malzemelerin karmaşık yapısından dolayı hasarın doğru bir şekilde modellenebilmesi oldukça önemlidir. Literatürde yer alan çalışmaların büyük bir kısmında hasarın modellenmesi için Klasik Sürekli Ortamlar Mekaniği formülasyonları kullanılmaktadır. Ancak kullanılan formülasyonlar, yerel kısmi türevlere dayalı olduğu için hasarın yönünün ve şiddetinin belirlenmesi için testlerin yapılması gerekir. Dolayısıyla Klasik Sürekli Ortamlar Mekaniğine dayalı çözümler malzemelerde meydana gelebilecek hasar oluşumu ve dallanmasını tahmin etmekte yetersiz kalabilmektedir. Peridinamik teori yerel olmayan ve integral temelli denklemlere dayalı bir teori olması sebebiyle hasar oluşumunun ve ilerlemesinin modellenmesi için oldukça uygun bir teori olup izotropik ve kompozit malzemelerde uygulanabilir. Tez kapsamında, Peridinamik teori ile kompozit malzemelerde meydana gelen hasarın tahmin edilmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. Çalışmada geliştirilen Peridinamik model ABAQUS sonlu elemanlar yazılımına uygun girdi dosyaları oluşturabilen MATLAB yazılımı içinde hazırlanan bir kod kullanılarak oluşturulmuştur. Sonlu elemanlar yazılımında kiriş elemanlar Peridinamik bağları temsil eder. Hasar davranışının modellenebilmesi için Peridinamik teori ve Kohezif Bölge Metodu arasında bir ilişki kurularak Peridinamik formülasyon geliştirilmiştir. Geliştirilen Peridinamik formülasyon Mod I (Çift Ankastre Kiriş Testi), Mod II (Uç Çentik Eğilmesi Testi) ve bunlara ilaveten karma mod (Karışık Modlu Bükme Testi) yüklemeleri altında yapılan kompozit test numunelerinde uygulanmıştır. Tez kapsamında yapılan çalışmalarda Peridinamik teoriye ek olarak Kohezif Bölge Metodu kullanılarak numerik çalışmalar yapılmıştır. Böylelikle geliştirilen formülasyon analitik çözüm, Kohezif Bölge Metodu ile elde edilen numerik çözüm ve literatür sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Peridinamik teori ile elde edilen sonuçların diğer yöntemlerle elde edilen sonuçlarla uyumlu olduğu gözlenmiştir. Böylece Peridinamik teorinin hasar davranışını modellemek için kullanılabileceği anlaşılmıştır.
Helikopter motor yağ soğutucusu olarak kullanılan plaka ve kanatçık tipi bir ısı değiştirgeci için test düzeneği tasarımı ve kurulumu
Mühendislik uygulamaları enerji kaybını engellemek adına enerjinin en verimli şekilde transfer edilmesini amaçlamaktadır. Verimli bir şekilde enerji transferi doğal kaynakların kullanımının azalmasında önemli bir rol oynamaktadır. Günümüz hava araçlarında ısıtma, soğutma ve akışkanların sıcaklık seviyelerini kontrol etmek amacıyla Isı Değiştirgeçleri kullanılmaktadır. Hava araçlarında sıkça kullanılan Isı Değiştirgeçlerinden bir tanesi de Plaka-Kanatçık Tipi Isı Değiştirgeçleri'dir. Plaka-Kanatçık Tipi Isı Değiştirgeçleri kompakt olması ve muadillerine göre yüksek ısı atım kapasitesine sahip olması nedeni ile havacılık ve otomotiv endüstrisinde sıkça kullanılmaktadır. Bu çalışmada bir helikopter motorunda kullanılmak üzere geliştirilen bir Plaka-Kanatçık Tipi Isı Değiştirgeci'nin performans test standının tasarımı, kurulumu ve testleri üzerinde durulmuştur. Tasarım aşamasında parlama noktasına oldukça yakın ısıtılan yağın, yağ ısıtıcı tasar ımı ve hava kanalında sıcaklıkların eşit dağılması için HAD analizleri yapılmıştır. HAD analizlerine göre üretilen parçalarla deney düzeneği oluşturulmuştur. Bu kapsamda ANOVA Arge Teknolojileri Labaratuarı'nda deney düzeneği kurulmuş ve Plaka Kanatçık Tipi Isı Değiştirgeci deneyi yapılmıştır. Reynolds sayıları 1000 ile 2500000 arasında değişen değerlerde hava tarafı basınç kayıp deneyleri yapılmıştır. Plaka Kanatçık Tipi Isı Değiştirgecinin ısıl karakteristiğinin ortaya çıkarılması amacıyla sıvı ve hava hattında sıcaklık ölçümleri, hacimsel debi ölçümleri ve basınç kayıplarının ölçülmesi için basınç ölçümleri yapılmıştır. Literatürden elde edilmiş olan korelasyon ile deney düzeneğinde ölçülen değerler karşılaştırılmıştır.
Kanister saclarında, köşebentlerinde ve raylarında hafifletmeye yönelik şekil ve boyut eniyilemesi
Kanister; roket veya füzenin ateşlendiği, Tam Atım Füze (TAF) sisteminin füze haricindeki ana alt sisteminden birisidir. Füzeyi; depolanma, taşınma ve atış anlarında oluşan çevresel etkilere ve yüklere karşı koruyan silindirik veya prizmatik yapısal bütündür. TAF'ın yüklendiği üst sistemin ağırlık taşıma kısıtı olmasından dolayı, kanister yapısal bütününün hem belirtilen yüklere karşı dayanıklı olması hem de hafif olması gerekmektedir. Kanister yapısal bütünü; gereksinimlere, analitik yaklaşımlara, tasarımcının deneyimine ve sezgilerine bağlı olarak, sac metal, dikme, ray, köşebent, yardımcı dikmeler gibi profiller, birçok alt parça ve bağlayıcı elemanlar kullanılarak tasarlanmaktadır. Bu tez kapsamında; kanister içerisindeki ağırlıkça oranları yüksek olan sac metal, köşebent ve ray parçaları için hafifletme maksadıyla şekil ve boyut eniyileme çalışmaları yürütülmüştür. Kanister üzerinde; düz sac metal yerine badem formu eklenmiş daha ince sac metal kullanılarak, füzenin ateşlenmesi anında oluşan basınç yüküne karşı dayanım ve benzer yerdeğiştirme sağlanabilmektedir. Optimum badem formu belirlenmiş ve eklenmiş sac plakaların, düz sac plakanınkiyle benzer yer değiştirmeye sahip ve dayanıklı (malzemenin akma dayanımının altında) fakat daha hafif olması amaçlanmıştır. Bu kapsamda, basınç yükü altında, düz sac ve badem eklenmiş sac plakaların ANSYS sonlu elemanlar yazılımıyla analizleri yapılmış, gerilme ve yer değiştirmeleri hesaplanmıştır. Tasarımsal kısıtlar ve sınır koşulları dikkate alınarak saclardaki badem yarıçapı, yuvarlatması ve yüksekliği için eniyi değerler, deney tasarımı ve yanıt yüzey yöntemleri (vekil model) kullanılarak elde edilmiştir. Eniyileme çalışmasının sac özelindeki bulgularına göre; 3 mm bademli sac metalin, 4 mm düz sac metal plakaya göre benzer yerdeğiştirme seviyesinde %19,9 hafifletme sağladığı gözlenmiştir. Köşebent ve rayların; kanister ağırlığı ve füzenin ağırlığı altında yer değişiminin az olması ve yapıya dayanım kazandırılması maksadıyla kalınlaştırılmıştır. Bu yüzden kanister ağırlıkları istenen ölçütlerin dışına çıkmış ve bu durum eniyileme çalışmasının yapılmasını gerektirmiştir. Kanister yapısal bütününün ana dayanım unsurunu oluşturan köşebent ve ray parçaları kanister yapısal bütünü seviyesinde ele alınarak ANSYS sonlu elemanlar yazılımıyla analizleri yapılmış, gerilme ve yer değiştirmeleri hesaplanmıştır. Kanisterin bekleme durumlarında izin verilen yerdeğiştirme miktarlarının altında kalmasının yanında, yapının köşebent ve ray parçaları özelinde ağırlıklarının eniyilenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla köşebent ve ray özelinde tasarımsal kısıtlar ve sınır koşulları dikkate alınarak; deney tasarımı ve yanıt yüzey yöntemleri kullanılarak eniyileme çalışmaları tamamlanmıştır. Eniyileme çalışmasının köşebent ve ray özelindeki bulgularına göre; ilk tasarımın köşebentinden %51,1, ilk tasarımın rayından %10,3 mertebesinde daha hafif tasarımlar elde edildiği gözlenmiştir. Kanisterin sac, köşebent ve ray parçaları özelinde yürütülen tüm bu eniyileme çalışmalarının sonucunda; statik koşullar altında ilk tasarıma göre kısıt fonksiyonlarına bağlı kalınarak kanister seviyesinde %12,0 hafifletme sağlanmıştır.
Biyo-esinlenmiş çırpan kanat modellerinin aeroelastik analizleri
Son yıllarda, mikro teknolojideki gelişmelerle beraber Mikro Hava Araçları (MHA'lar) üzerindeki çalışmalar hız kazanmıştır. Özellikle düşük hızlarda yüksek aerodinamik verimliliğe ve yüksek manevra kabiliyetine sahip çırpan kanatlı MHA'lar, oldukça ilgi çeken bir araştırma alanı olmuştur. Çırpan kanatlı MHA'ların geliştirilmesi için doğadaki kuş ve böceklerin uçuş özelliklerinden esinlenilmiştir. Düşük Reynolds sayılarında (<104) uçan böceklerin aerodinamikleri ve kanatlarındaki farklı yapılar, biyo-esinlenmiş çırpan kanatlı MHA uygulamalarında geniş çapta ele alınmıştır. Bu tez çalışmasında ise yaban arısı ve atmaca güvesi kanatlarından esinlenilmiş üç boyutlu (3B) kanatların aerodinamik ve aeroelastik karakteristikleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Solidworks ile modellenen düz kanatlara ANSYS/SpaceClaim ile damar yapıları eklenmiş ve ANSYS/Meshing ile ağ yapıları oluşturulmuştur. Akışkan analizinde ANSYS/Fluent kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi ile 3B, sıkıştırılamaz, laminer, zamandan bağımsız ve zamana bağlı Navier-Stokes denklemleri çözülmüştür. Yapısal analizde ANSYS/Mechanical APDL kullanılarak sonlu elemanlar (SE) yöntemiyle yer değiştirme hesaplamaları yapılmıştır. Akışkan-yapı etkileşimi (AYE) analizi için ANSYS/System Coupling ile HAD ve SE analizleri eş-zamanlı gerçekleştirilmiştir. Literatürdeki çalışmalara bakıldığında, ileri uçuşta zamandan bağımsız aerodinamik kuvvetlere böcek kanadının statik tepkisi ve havada asılı kalma durumunda zamana bağlı aerodinamik kuvvetlere böcek kanadının dinamik tepkisi ayrıntılı olarak incelenmemiştir. Bu tezin amacı, öncelikle zamandan bağımsız HAD analizinden elde edilen aerodinamik kuvvetleri basınç yükü şeklinde SE çözücüsüne aktararak kanatların tek-yönlü AYE simülasyonlarını gerçekleştirmektir. Cuticle, alüminyum alaşım Al-6061 ve titanyum alaşımı Ti-6Al-4V gibi farklı malzemelerdeki kanatların çeşitli hücum açılarında (α=0°–90°) basınç yüklerine karşı verdikleri statik aeroelastik tepkiler karşılaştırılmıştır. Zamandan bağımsız HAD analizinde atmaca güvesi kanadının daha verimli olduğu ve α=5°'de kanatların maksimum aerodinamik verimliliğe ulaştığı bulunmuştur. Tek-yönlü AYE analizinde maksimum uç sehiminin α=90°'deki kanatlarda daha fazla olduğu görülmüştür. Mevcut çalışmanın diğer bir amacı, havada asılı kalma durumu için atmaca güvesi kanadından esinlenilmiş 3B, esnek olmayan kanat modelinin zamana bağlı aerodinamik karakteristiklerini gözlemlemektir. Bu kapsamda kanat çırpma frekansı, vuruş genliği, vuruş düzlemi açısı gibi çeşitli kinematik parametrelerin havada asılı uçuş boyunca aerodinamik kuvvetlere etkileri incelenmiştir. Saf-dalma hareketi ile kanada çırpma hareketi sağlamak amacıyla kullanıcı-tanımlı fonksiyon (UDF) kullanılarak sinüzoidal hareket tanımlanmıştır. Zamana bağlı HAD analizinde ortalama dikey aerodinamik kuvvetin yüksek frekans, yüksek vuruş genliği ve düşük vuruş düzlemi açısı için maksimum olduğu bulunmuştur. Sayısal analizlerden elde edilen sonuçlar hem ağ yapısı ve zaman adımı iyileştirme çalışmalarındaki sonuçların yakınsanabilirliği ile hem de literatürdeki mevcut verilerin bulunan sonuçlarla karşılaştırılması ile doğrulanmıştır. Bu tezin asıl amacı, yapılan analizlerden uygun kanat malzemelerini ve kinematik parametreleri seçerek, havada asılı durumdaki atmaca güvesi kanadından esinlenilmiş farklı kanat yapılarının (düz-ön kanat, damarlı-ön kanat, rijit kanat, esnek kanat) dinamik aeroelastik tepkilerini detaylı bir şekilde karşılaştırmaktır. İki-yönlü AYE simülasyonlarında özellikle cuticle malzemeli damarlı kanadın dikey aerodinamik kuvveti oldukça artırdığı görülmüştür.
Taşınabilir hava savunma sistemi kompozit fırlatma tüpünün yapısal eniyilemesi
Savunma sanayi alanında üretilen parçalarda ağırlık kriteri her zaman büyük bir önem taşımıştır. Kompozit malzemeler ağırlık ve mekanik dayanım özellikleri açısından avantaj sağlaması sebebiyle savunma sanayisinde sıklıkla tercih edilen malzemeler arasında yer almaktadır. Bu tezde, geliştirilmekte olan ve taşınabilir hava savunma sisteminde kullanılan kompozit yapıdaki fırlatma tüpü için sonlu elemanlar modeli oluşturularak ağırlık eniyileme çalışması gerçekleştirilmiştir. Ağırlık kriterine ek kriterler de eklenerek gerçekçi bir çözüm elde edilmesi amaçlanmıştır. Tüm kriterler göz önünde bulundurularak maliyet formülasyonu oluşturulmuş ve optimum tasarıma ulaşılmıştır. Ağırlık eniyileme çalışmasında sarım kalınlıkları ve sarım açısı tasarım değişkenleri olarak belirlenmiştir. Kısıt fonksiyonu olarak Tsai-Wu hasar kriteri kullanılarak elde edilmiş olan emniyet katsayısı kullanılmıştır. Fırlatma tüpü sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmiş, ısıl ve yapısal yükler fırlatma tüpü üzerine uygulanmıştır. Çözüm ağı yakınsama çalışması gerçekleştirilerek sonlu elemanlar yöntemi için uygun olan eleman boyutu belirlenmiştir. Sonraki aşamada, latin hiperküp örnekleme ve merkezi kompozit tasarım yöntemleri kullanılarak deney tasarımları oluşturulmuştur. Belirtilen deney tasarımları kullanılarak farklı vekil modeller ve farklı eniyileme yöntemleri ele alınmış ve ağırlık için eniyileme çalışması gerçekleştirilmiştir. İlgili çalışma, cam elyaf takviyeli epoksi matrisli malzeme (cam/epoksi), karbon elyaf takviyeli epoksi matrisli malzeme (karbon/epoksi) ve aramid elyaf takviyeli epoksi matrisli malzeme (aramid/epoksi) için gerçekleştirilmiş olup, kullanılan malzemeler ve yöntemler arasında karşılaştırma yapılmıştır. Üç malzeme için de latin hiperküp örnekleme yöntemi ile oluşturulan deney tasarımları kullanıldığında merkezi kompozit tasarıma göre daha hafif yapılar elde edildiği görülmüştür. Vekil model yöntemleri kıyaslandığında cam/epoksi ve karbon/epoksi malzeme için karesel polinom yanıt yüzey yöntemi, aramid/epoksi malzeme için ise Kriging yöntemi ile daha iyi sonuçlar elde edildiği gözlemlenmiştir. Eniyileme yöntemleri kıyaslandığında ise cam/epoksi malzeme için seçkisiz arama yönteminin, karbon/epoksi ve aramid/epoksi malzeme için ise genetik algoritma yönteminin daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Ağırlık eniyileme çalışması gerçekleştirildikten sonra ağrlık kriterine ek olarak bulunabilirlik, fiyat ve üretilebilirlik kriterleri de ele alınmıştır. Bu dört kriter önem sırasına göre yüzdesel olarak değerlendirilerek kullanılan kompozit malzemeler için maliyet formülasyonu oluşturulmuştur. Sonuç olarak, karbon elyaf takviyeli epoksi matrisli malzemenin fırlatma tüpü için maliyet etkin optimum tasarımı sağladığı gözlemlenmiştir.
Subaksiyel servikal omurga kırıklarının posterior sabitlenmesinde titanyum ve peek çubuklu sistemlerin biyomekanik performanslarının karşılaştırılması
Omurga kırıklarının posterior sabitlenmesinde pedikül vida - çubuk sistemleri yaygın olarak kullanılan bir tedavi yöntemidir. Geleneksel titanyum çubuklara alternatif olarak geliştirilen yarı rijit PEEK çubuklar, lomber ve torakal bölgelerde 2007 yılından beri kullanılmaktadır. Literatürde, servikal bölgede PEEK çubuk kullanımına yönelik biyomekanik ve klinik çalışma bulunmamaktadır. Bu tez çalışmasında, subaksiyel servikal bölgede titanyum ve PEEK çubuklu sistemlerin biyomekanik performansı laboratuvar ortamında karşılaştırılmıştır. Ø3.0 mm🞨40 mm ebatındaki titanyum ve PEEK çubuklar ASTM F2193-20 standardına göre statik dört nokta eğme testine tabi tutulmuştur. Beşer numuneyle gerçekleştirilen testlerde; akma yükü, akma yükündeki yer değiştirme, rijitlik, azami yük ve azami yükteki yer değiştirme hesaplanmıştır. Subaksiyel servikal omurları temsil eden test blokları ASTM F1717-18 standardına göre üretilmiştir. Her test bloğuna Ø3.5 mm🞨14 mm ebatında iki adet pedikül vida gönderilmiştir. İki test bloğu birbirine Ø3.0 mm🞨40 mm ebatındaki titanyum veya PEEK çubuklarla bağlanarak vertebrektomi modelleri elde edilmiştir. Elde edilen titanyum ve PEEK çubuklu sistemler, ASTM F1717-18 standardına göre statik basma eğme, statik çekme eğme ve yorulma testlerine tabi tutulmuşlardır. Her test için altı numune kullanılmıştır. Statik dört nokta eğme testi sonucunda titanyum ve PEEK çubukların akma dayanımları sırasıyla 572.77 N ± 9.71 N ve 56.12 N ± 0.85 N olarak, rijitlikleri sırasıyla 858.05 N/mm ± 12.35 N/mm ve 35.66 N/mm ± 0.25 N/mm olarak hesaplanmıştır. Vertebrektomi modelinin statik basma eğme testi sonucunda titanyum ve PEEK çubuklu sistemlerin rijitlikleri sırasıyla 10.45 N/mm ± 0.06 N/mm ve 0.34 N/mm ± 0.01 N/mm olarak hesaplanmıştır. Statik çekme eğme testi sonucunda titanyum ve PEEK çubuklu sistemlerin rijitlikleri sırasıyla 0.12 N/mm ± 0.30 N/mm ve 0.80 N/mm ± 0.01 N/mm olarak hesaplanmıştır. Yorulma testi sonucunda titanyum ve PEEK çubuklu sistemlerin dayanım sınırı sırasıyla 23 N ve 6 N olarak belirlenmiştir. Titanyum çubuklu sistemlerin dayanımının, fleksiyon ve ekstansiyon yönlerinde, hem statik hem de dinamik yükleme koşullarında PEEK çubuklu sistemlerden daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bununla birlikte, PEEK çubuklu sistemlerin titanyum çubuklu sistemlere iyi bir alternatif olabileceği öngörülmektedir. PEEK çubuklu sistemlerin deforme olmadan daha fazla esneklik göstermesinin, füzyon öncesinde hastaya hareket imkanı sağlaması beklenmektedir. Ayrıca, PEEK çubuklu sistemlerin rijitliğinin kemiğin rijitliğine daha yakın olması nedeniyle, gerilme kalkanına titanyum çubuklu sistemler kadar sebebiyet vermemesi ve komşu segment rahatsızlığı riskini azaltması beklenmektedir. Bu tez çalışması, servikal omurga instabilitelerinin sabitlenmesinde yeni PEEK çubuklu pedikül vida fiksasyonun, geleneksel titanyum çubuklu sistemlere iyi bir alternatif olduğunu biyomekanik performanslarını karşılaştırarak ortaya koymuştur. Ancak servikal bölgede PEEK çubuklu sistemlerle pedikül vida fiksasyonu hakkında yeterli çalışma bulunmaması nedeniyle, bu sistemlerin klinik kullanımından önce kadavra çalışmaları gerçekleştirilmelidir.
Kalın plakalarda eğilme ve mod II yüklemeleri altında meydana gelen hasarın peridinamik teori ile incelenmesi
Peridinamik teori, çeşitli yüklemelere maruz kalan yapıların deformasyon ve hasar davranışının tahmin edilmesi için ortaya çıkmış yerel olmayan bir Sürekli Ortamlar Mekaniği teorisidir. Bu doktora tezi kapsamında bağ bazlı Peridinamik teori kullanılarak iki farklı problem üzerinde araştırma yapılmıştır. İlk olarak, kalın ortotropik plakalarda eğilme yükünün etkisiyle oluşan sehim ve rotasyon dağılımını çözmeye yönelik bir Peridinamik plaka modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen Peridinamik plaka modeli, yüzey normallerinin deformasyonunu dikkate alan bir yaklaşıma sahip olması nedeniyle literatürde yer alan ince plaka modellerinden ayrışmaktadır. Bu plaka modeli ile ilk olarak izotropik bir plakanın eğilme problemi çözülmüştür. İzotropik plaka için elde edilen sonuçlar, literatürde yer alan sonuçlar ve Sonlu Elemanlar Analizi sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonrasında çeşitli ortotropik plakalar için eğilme problemleri elastik olarak çözülerek Sonlu Elemanlar Analizi sonuçları ile doğrulanmıştır. Son olarak, merkezi çatlak içeren ortotropik plakalar için eğilme yüklemesi altında çatlak ilerlemesi analizleri öne sürülen Peridinamik plaka modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında, öne sürülen Peridinamik Mindlin plakası modelinin eğilme yükü etkisindeki kalın ortotropik plakalarda oluşan deformasyon ve hasarın incelenmesi için uygun olduğu görülmüştür. Tez kapsamında ikinci problem olarak yapıştırılarak birleştirilmiş kalın plakalara uygulanan dinamik mod II yüklemesinin etkisiyle, yapışma arayüzünde meydana gelen dinamik çatlak ilerlemesi Peridinamik teori ile incelenmiştir. İncelenen numune, Rosakis vd. (1999) tarafından deneylerde kullanılan, yapıştırılarak birleştirilmiş iki adet Homalit plakadan oluşmaktadır. Çarpma etkisi, plakanın yan yüzeyine zamana bağlı bir hız sınır koşulu şeklinde uygulanmıştır. Yapılan çalışmada, çarpma hızının ve arayüz tokluğunun çatlak ilerlemesi hızına etkisi incelenmiştir. Her iki parametrik çalışma sonucu, Rayleigh altı bölgede ve intersonik bölgede çatlak ucu hızları elde edilmiştir. İntersonik kırılmalar için elde edilen parçacık hızı dağılımlarında, şok dalgaları gözlemlenmiştir. Kararlı halde ilerleyen intersonik kırılmalar için en düşük çatlak ucu hızı, kesme dalgası hızının 1.57 katı olarak elde edilmiştir. Belirli çarpma hızı ve kırılma tokluğu kombinasyonları için çatlak ucu hızının Rayleigh altı bölgeden intersonik bölgeye geçiş yaptığı gözlemlenmiştir. Mod II çatlaklarının dinamik olarak ilerlemesi ile ilgili elde edilen PD sonuçlar literatürde yer alan deneysel ve nümerik çalışmalar ile uyumludur.
Düzlem yüklemesi altında delikli kompozit plakaların peridinamik teori ile incelenmesi
Bu çalışmada tek eksenli çekme kuvveti altında delikli kompozit plakaların hasar davranışı incelenmiştir. İzotropik malzemelere göre daha karmaşık bir yapıya sahip olan kompozit malzemeler ortotropik bir yapıya sahiptir ve delik hasarı gibi bir süreksizlik de eklenince daha karmaşık bir probleme dönüşmektedir. Bu karmaşık problemlerin çözümü tez kapsamında yerel olmayan Peridinamik(PD) teori ile yapılmıştır. PD teori, hasarlı yapıları modelleme konusunda yerel ve diğer yerel olmayan teorilerin yetersiz kalması sebebi ile 2000 yılında tanıtılan bir teoridir. Bu teoriyi diğer teorilerden ayıran özellikleri; bir, iki ve üç boyutlu ortamlarda, doğrusal olmayan malzemeler ve hasarlı yapıları çözebilme becerisidir. PD teorisinin en büyük avantajı, çatlağın ne zaman dallanması, durması ve rastgele yönlenmesi gerektiğini belirleyen tamamlayıcı bir ilişki gerektirmemesidir. Elde edilen PD teori sonuçları Sonlu Elemanlar (SE) yöntemi ve literatürde var olan deneysel çalışmalar ile doğrulanmıştır. İlk olarak merkez delikli izotropik plaka tek eksenli çift yönlü çekme yükü altında incelenmiştir. Hasarsız olarak PD teori ile incelenen problemin doğrulama çalışması analitik ve SEA yöntemi ile yapılmıştır. Yer değiştirme sınır koşulu altında numunenin yükleme yönündeki gerilme ve gerinim, yükleme yönüne dik yönde yer değiştirme değerleri incelenmiştir. Sonuçlar delikli izotropik numune için tüm yöntemler ile oldukça uyumlu elde edilmiştir. Kompozit tek yönlü fiber açısına sahip, literatürde deneysel olarak incelenen, malzemesi T300/QY8911, fiber açısı 90° ve katman sayısı 12 olan merkez delikli numune PD teori ile modellenmiştir. Literatürde var olan deneysel çalışma referans alınarak numunenin boyutları, malzeme özellikleri, hasara uğradığı kuvvet ve yer değiştirme belirlenmiştir. Problem hasarsız ve hasarlı olarak ele alınmıştır. Hasarsız problem kuvvet sınır koşulu altında incelenmiştir ve yükleme yönünde normal gerilme ve gerinim, yer değiştirme sonuçları değerlendirilmiştir. Hasarlı problem yer değiştirme sınır koşulu altında incelenmiştir ve plakanın hasar uğradığı kuvvet ve numunenin kırılma görüntüsü elde edilmiştir. Doğrulama çalışmaları hasarsız problem için analitik ve SEA sonuçları ile yapılmıştır ve oldukça uyumlu bulunmuştur. Hasarın incelendiği durumda PD teori sonuçları deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır ve benzer elde edilmiştir. Böylelikle delik hasarlı tek yönlü fiber açısına sahip kompozit yapıların modellenmesinde ve hasar tahmininde PD teorinin iyi sonuç verdiği ve bu alanda uygulanabilir olduğu gösterilmiştir.
Farklı tasarım opsiyonlarının diyaframlı darbe sönümleyici yapıların enerji soğurma performansına etkilerinin incelenmesi ve eniyilenmesi
Darbe sönümleyiciler, taşıt kazalarında sırasında ortaya çıkan enerjiyi plastik deformasyona uğrayarak sönümleyen ve yolcu güvenliğini sağlayan yapılardır. Bu yapılar tren ve otomobillerin ön ve arka uçlarında konumlandırılırlar. Bu çalışma kapsamında, içerisinde diyaframlar bulunan bir darbe sönümleyicinin performansı çeşitli tasarım değişiklikleriyle iyileştirilmiştir. Bu değişiklikler, sırasıyla darbe sönümleyicinin dış duvar ve diyafram kalınlıklarının değiştirilmesi, diyafram yerleşiminin değiştirilmesi ve darbe sönümleyiciye bir konik açı verilmesi olarak yapılmıştır. Başlangıçtaki pik ezilme kuvveti (IPCF) minimize etme ve özgül enerji sönümlemesini (SEA) maksimize etme, bu eniyileme problemlerinde amaç fonksiyonları olarak seçilmiştir. Çarpma analizleri, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Sonlu eleman modeli, literatürdeki bir başka çalışma temel alınarak oluşturulmuş ve doğrulanmıştır. Sonlu eleman analizleri LS-DYNA sonlu eleman yazılım paketi kullanılarak yapılmıştır. Eniyileme problemleri, vekil model tabanlı eniyileme yaklaşımıyla çözülmüştür. Her eniyileme probleminde doğrulanmış sonlu eleman modeli üzerinden deney noktaları oluşturulmuş, oluşturulan deney noktaları üzerinden tüm yöntemler kullanılarak vekil modeller yaratılmıştır. Bu vekil modellerin doğrulukları, yine doğrulanmış sonlu eleman modeli kullanılarak her eniyileme modeli için ayrı ayrı oluşturulmuş test noktalarıyla ölçülmüştür. Tüm vekil modeller için ayrı ayrı optimum tasarım değişkenleri bulunmuş ve bulunan tasarım değişkenleri sonlu eleman modellerine işlenerek analiz edilmiştir. Optimum tasarım değişkenlerinin işlendiği sonlu eleman analizi sonuçları arasından en iyi olan sonuç, ilgili eniyileme çalışmasının optimum sonucu olarak belirlenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda, özgül enerji sönümlemesi (SEA) %69,4 yükseltilmiş, başlangıçtaki pik ezilme kuvveti (IPCF) %24,7 azaltılmıştır. SEA sonuçları için dış duvar ve diyafram kalınlıklarının eniyilemesi %59,2 SEA artışı sağlarken, diyafram yerleşiminin eniyilemesi bunun üzerine %7,7'lik SEA artışıyla sonuçlanmıştır. Konik açının eniyilemesi %2,5 daha fazla SEA artışı sağlamıştır. Dış duvar ve diyafram kalınlıklarının eniyilemesi, IPCF'de %23,4 düşüş sağlarken, diyafram yerleşiminin eniyilemesi bunun üzerine %1,3 düşüş sağlamıştır. Konik açının eniyilemesi IPCF'de daha fazla düşüşe neden olmamıştır.
Kapalı-çevrim glikoz seviyesi kontrolü için piezoelektrik pompa geliştirilmesi
Bu tezin amacı, T1DM (Tip 1 Diyabet) hastalarının glikoz seviyesini istenen aralıkta tutan; kapalı-çevrim, eniyilenmiş, enerji-verimli ve valfsiz piezoelektrik tahrikli mikro insülin pompasını, benzetim modeli ve kontrolcüsü ile geliştirmektir. Yeni ve sıra dışı bir yaklaşımla tasarlanan pompa, literatürdeki şırınga tipi pompalardan/yapay pankreas çalışmalarından farklı ve birden fazla kontrolcü ve gömülü insülin-glikoz modelleri dahil olarak kurgulanmıştır. Piezoelektrik tahrikli pompanın üç boyutlu (3B) piezoelektrik-yapısal-akışkan akuple sonlu eleman analizleri (FEA) COMSOL Multiphysics ile gerçekleştirilmiştir. Analiz modellinden indirgenmiş piezoelektrik tahrikli pompa modeli (ROM), Ackerman, Bergman ve Sorensen'in insülin-glikoz modelleri, tasarlanan oransal integral türev (PID), optimum ve model öngörülü kontrol (MPC) algoritmaları ile MATLAB/Simulink ortamında tümleşik bir benzetim ortamı oluşturulmuştur. Tasarımı eniyilerken, enerji gereksinimlerine ve geometrik kısıtlamalara göre en verimli pompaya ulaşmak için birçok analiz yapılmıştır. Nozül/difüzör ıraksama açısı, nozül/difüzör çapları, uzunluklar, hazne yüksekliği, tahrik gerilimi ve frekansı, en yüksek net akış oranı ve en az güç tüketimi için eniyilenmiştir. Analiz sonuçlarına göre belirlenen parametreler analitik sonuçla da doğrulandıktan sonra, piezoelektrik pompa deney düzeneği üretilmiştir. Farklı gerilim ve frekans tahriki ile test edilen pompa, 100Vp-p ve 100Hz sinüs sinyali ile sürüldüğünde, 0.4mA akım çekmiş ve 300μL/ dak akış hızı elde edilmiştir. İnsülin infüzyonunun gereklilikleri bu akış hızından karşılanırken, farklı hasta parametrelerine sahip üç farklı insülin-glikoz modeli çalıştırılmış ve PID, optimum ve MPC kontrolörler tasarlanmıştır. PID parametreleri Ackerman, Bergman ve Sorensen için bulunmuş, optimum ve MPC kontrolör Ackerman'ın modeli kullanılarak tasarlanmış ve tüm insülin-glikoz modellerine uygulanmıştır. Önerilen enerji-verimli piezoelektrik tahrikli pompa geliştirilirken, enerji ihtiyacının bir kısmını veya tamamını karşılayabilecek bir enerji hasadı sistemi araştırılmıştır. İnsan vücudundan enerji hasadı yöntemleri incelenmiş, hasat yöntemlerinden piezoelektrik enerji hasadı tasarımı, 3B piezoelektrik-yapısal akuple FEA çalışmaları ve deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayak tabanına yerleştirilmiş bir piezoelektrik enerji toplayıcı ile yürüme ve koşma sırasında elde edilecek enerjinin sistemin enerji ihtiyacının bir kısmını karşıladığı gösterilmiştir. Örnek olarak seçilen bu enerji hasadı yönteminin, ileriki aşamalarda vücudun farklı noktalarından elde edilecek enerjilerin toplamı ile sistemin tamamının ihtiyacını karşılayabileceği gösterilmiştir.
Haptik destekli karma gerçeklik simülasyon ortamı geliştirilmesi
Görsel-dokunsal karma gerçeklik (VHKG), sanal nesneleri gerçek bir sahneye ekler ve kullanıcıların, bir haptik cihaz aracılığı ile sanal nesnelere dokunmasını sağlar. Genel amaçlı haptik cihazlarında sürekli olarak takılı olan kalem benzeri ucun kullanıcı tarafından tutulması gerekmektedir. Bu gereksinim, cihaza gerek duyulmadığında bile, kullanıcıları cihazın mekanik sınırlarıyla sınırlamakta ve simülasyon gerçekçiliğini azaltmaktadır. Bu çalışmada, çözünürlüğü yüksek bir hexapod konumlayıcı ve altı eksenli bir kuvvet / tork dönüştürücüsünden oluşan, Karşılaşılan Tip Haptik Cihazı (KTHC) konseptinde yeni bir VHKG sistemi geliştirilmiştir. Ana katkı, kullanıcıların gerçek aletleriyle çalışarak sanal nesnelerle etkileşime girebileceği bir simülasyon ortamı oluşturulmasıdır. KTHC'nın haptik ucu sürekli olarak sanal nesne yüzeyinin tam altında kalarak, kullanıcının tuttuğu aleti yalnızca etkileşim sırasında devreye girmek için takip etmektedir. Haptik ucu ile kullanıcı aleti, sadece sanal nesne ile etkileşim sırasında birleşerek, görsel ve dokunsal geri besleme oluşturmaktadır. Çalışma kapsamında, prototip geliştirilmesi tamamlanmış olup; sistem senkronizasyonu ölçümü, haptik, görsel ve alet takip sistemlerinin doğrulama deneyleri yapılmıştır. Bu deneyler ile alet ucunun 1 mm'den az hata ile takibinin yapıldığı, haptik kuvvet doğruluğunun ve tekrarlanabilirliğinin 0,2 N'den az olduğu ve sistemin uçtan uca senkronizasyon hatasının ise 0,2 mm'den az olduğu doğrulanmıştır. Objektif olan kullanıcı deneylerinin yanında, sübjektif değerlendirmeler de yapılmıştır. Bu doğrultuda, kullanıcılar anket puanlamaları ile simülasyon gerçekçiliğine dair değerlendirmeler yapmıştır. Elde edilen sübjektif verilerin analizinde, kullanıcıların sistemi gerçekçi bulduğu sonucuna ulaşılmıştır.
Kafes yapılı malzemelerde gerinim tabanlı yorulma ömrü hesabı
Günümüzde, eklemeli imalat yöntemleri ile üretilen parçaların yüksek hafiflik kazandırması özelliğinden faydalanmak amacıyla kafes yapıların kullanımına odaklanılmış ve kafes yapıların statik dayanımlarının ortaya konulmasına ilişkin birçok çalışma yürütülmüştür. Fakat, aslında statik dayanım kadar büyük öneme sahip olmasına rağmen, eklemeli imalat yöntemleri ile üretilmiş kafes yapılı malzemelerin dinamik yük altındaki yorulma davranışlarını ortaya koyacak yöntemler henüz olgunlaşmamıştır. Literatürde bu alandaki yapılan araştırmalara bakıldığında, genel olarak deneysel çalışmaların ağırlıkta yürütüldüğü ve nümerik çalışmaların ise gerilme tabanlı ömür tespit yöntemleri ile gerçekleştirildiği görülmüştür. Deneysel çalışmaların yüksek maliyetli olması ve gerilme tabanlı nümerik hesaplamaların ise düşük çevrimli yorulma ömrü (DÇY) bölgesinde verimli bir hesaplama yöntemi olmadığı görülmüştür. Bu sebep ile, bu çalışmada, eklemeli imalat yöntemi ile Ti6Al4V malzemeden üretilmiş kafes yapıların gerinim tabanlı yorulma ömrü tespit metodu kullanılarak ömür analizlerinin gerçekleştirilmesi üzerine çalışılmıştır. Bu çalışmada kullanılan metodolojide, ilk olarak yorulma ömrü tespit edilecek kafes yapının birim hücre geometrisi modellenmiştir. Bu geometrinin gerilme-gerinim eğrisini elde etmek amacıyla statik basma yükü altında sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analizden elde edilen gerilme-gerinim verisinden hesaplanan akma dayanımından başlayıp kademeli olarak azaltılarak elde edilen gerilme değerleri, yorulma ömrü analizi için maksimum gerilme değerleri olarak tanımlanmıştır. Her bir gerilme değeri için kafes yapıya uygulanacak tekrarlı bir yükleme profili oluşturulmuştur. Bu oluşturulan her bir yükleme profili için, gerinim tabanlı Brown-Miller yöntemi kullanılarak yorulma ömür analizi gerçekleştirilmiştir. Böylece, her bir gerilme değeri için yorulma ömrü hesaplanmış ve kafes yapının yorulma ömür eğrisi elde edilmiştir. Aynı kafes yapı için literatürde sunulan deneysel yorulma ömür eğrisi sonuçları ile karşılaştırıldığında, bu çalışmadaki nümerik ömür analizi ile elde edilen ömür değerlerinin daha yüksek çıktığı gözlemlenmiştir. Ortaya çıkan farkın sebebinin, kafes yapının yüzey kısımlarında eklemeli imalat sürecinden kaynaklı meydana gelen kusurlar olduğu öngörülmüştür. Bu kusurlardan dolayı meydana gelecek gerilme konsantrasyon katsayısı, yine sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak tespit edilmiştir. Bu çalışma sonucunda, Ti6Al4V alaşımı ve seçmeli lazer ergitme (SLE) ile üretilen tüm kafes yapılı malzemelerin, katı kütle ömür verileri kullanılarak doğrudan yorulma ömrünü tahmin etmeye yönelik gerilme konsantrasyon katsayısı hesaplamak için analitik bir eşitlik ortaya konulmuştur. Bu eşitlik ile elde edilen, gerilme konsantrasyon değerine göre ömür analizleri farklı kafes yapıları için tekrarlanarak literatürdeki deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmalara göre, önerilen gerilme konsantrasyonu katsayısı hesaplama yöntemi ve birim hücre ile gerinim-tabanlı ömür tespit metodu kullanılarak yapılan kafes yapıların ömür analizlerinin, hem gerilme tabanlı metotlara göre daha doğru sonuç verdiği, hem de farklı kafes yapıları için deney sonuçları ile uyumlu gerçekleştirilebildiği gösterilmiştir.
Zırhlı amfibik araçlarda süspansiyon sistemi alt kontrol kolu için ağırlık ve şekil optimizasyonu
Kontrol kolları tekerlekli araçların süspansiyon sistemlerinde bulunan en önemli ana alt parçalarındandır. Tekerlekli zırhlı araçlarda da yaygın olarak kullanılan çift salıncaklı süspansiyon sistemine ait ana parçalardan birisi olan alt kontrol kolu, bu çalışma kapsamında ele alınmıştır. Özellikle amfibik (hem karada hem suda hareket kabiliyetine sahip olan) özellikte olan araçlarda dikkat edilmesi gereken en önemli unsur araç ağırlığının minimumda tutulmasıdır. Bundan ötürü de kontrol kolu gibi büyük hacim ve kütleye sahip parçalar için, boyut, şekil ve ağırlık optimizasyon çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışma kapsamında da; süspansiyon alt kontrol kolu için oluşturulan sonlu elemanlar modelinin araç üstü testler ile doğrulanması ardından, vekil modeller yardımı ile ağırlık eniyilemesi yapılmıştır. Birkaç aşamada gerçekleştirilen eniyileme çalışması için, öncelikli olarak sonlu elemanlar modeli hazırlanmıştır. Hazırlanan modelin doğruluğunu test etme amaçlı, 8x8 tekerlekli araç alt kontrol kolu üzerinden gerinim ölçer yardımı ile gerinim verileri alınmış olup, benzer sınır koşulları ANSYS Workbench üzerinde ilgili parça üzerine uygulanmıştır. ANSYS yazılımından elde edilen sonuçlar ve deneysel veriler karşılaştırılarak kurulan model kabul edilebilir sapmalarla doğrulanmıştır. Devamında ise, belirlenen 4 adet tasarım değişkeni ile eniyileme probleminin çözümüne geçilmiştir. Bunun için de çok sayıda değişkeni birlikte inceleyebilen, hesapsal maliyeti düşük ve güvenirliliği yüksek olan vekil modeller kullanılmıştır. Vekil model oluşturmak için gerekli veri noktaları belirlenirken iki farklı yöntem seçilmiştir. Bunlar, merkezi kompozit tasarım (CCD) ve Latin hiperküp deney örnekleme (LHS) tasarımıdır. İki model için de hata oranları kontrolü yapılması ardından, vekil model bütünü yöntemiyle ayrı ayrı yanıt yüzeyler oluşturulmuş ve eniyileme işlemleri gerçekleştirilerek her iki model için de sonuçlar elde edilmiştir. Karşılaştırılan sonuçlar neticesinde, merkezi kompozit tasarım kullanılarak oluşturulan vekil model ile, parça ağırlığının diğer yönteme göre daha fazla azaltılabileceği gözlemlenmiştir. Seçilen aday nokta parçaya uygulandığında, alt kontrol kolunun başlangıç ağırlığı olan 25,2 kg'ın, %13,3 oranında hafifleyerek 21,8 kg'a düşümü gerçekleşmiştir. Bu da 8x8 tekerlekli bir araç için toplamda yaklaşık 27 kg hafifleme anlamına gelmektedir. Gelinen son aşamada, araç hareketi esnasında süspansiyonun maruz kalabileceği, taşıt üreticileri tarafından da tercih edilen sanki statik yük senaryolarından iki tanesi seçilmiştir. Bunlar boyuna darbe (çukura düşme) ve yanal darbe (kaldırıma çarpma) senaryolarıdır. Ek olarak, kriko ile teker değişim senaryosu üçüncü bir doğrulama adımı olarak eklenmiştir. Optimize edilen parça, ilgili yükler altında ANSYS Workbench yardımı ile analiz edilmiştir. Elde edilen gerilme sonuçlarının parça malzemesinin akma mukavemeti altında kaldığı ve çukura düşme senaryosunda 1,46, kaldırıma çarpma senaryosunda 1,08 ve kriko yüklemesi senaryosunda ise 3,17 güvenlik katsayısı ile doğrulama adımlarının tamamladığı gözlemlenmiştir.
Negatif Poisson oranına sahip kafes yapılarda geometrik parametrelerin titreşim yalıtımına etkisinin numerik ve deneysel incelenmesi
Kafes yapılar, çubuk, plaka veya matematiksel yüzey elemanların farklı kombinasyonlarda dizilimleri ile farklı mekanik davranışlara sahip olan yapılardır. Düşük ağırlıkta yüksek mukavemet sağlaması ve bunun yanında oldukça iyi enerji emme ve ısı yalıtım özelliklerine sahip olması, bu yapıların literatürde önemli ölçüde dikkat çekmesini sağlamıştır. Günümüzde bu yapılar havacılık, denizcilik, otomotiv ve inşaat endüstrilerinde geniş ölçüde kullanılmaktadır. Kafes yapıların, elemanların farklı dizilimleri ile, farklı şekillerde tasarlanabilir olması, bu yapıların farklı amaçlarda kullanılmasına zemin hazırlamıştır. Bunlardan birisi, bu yapıların titreşim yalıtma işlemlerinde kullanılmasıdır. Örneğin, zemine doğrudan bağlanan bir makinenin, ağırlığı ve dengesizliği sebebiyle zemine uyguladığı harmonik kuvveti azaltmak için esnek bir malzeme olarak kullanılabilir. Bu konu ile ilgili çeşitli çalışmalar yapılmış olmasına rağmen bu çalışmalarda kullanılan kafes yapılar pozitif Poisson oranına sahiptir. Farklı olarak, negatif Poisson oranına sahip olan kafes yapılar da tasarlanabilmektedir. Bu yapılar, geleneksel yapıların aksine eksenel çekme kuvvetleri altında hacmi büyüyen ve eksenel basma kuvvetleri altında hacmi azalan yapılardır. Negatif Poisson oranına sahip yapıların, geleneksel yapılara göre sahip olduğu yüksek kesme direnci, girinti direnci, burkulma direnci, kırılma dayanımı enerji ve ses emme kabiliyeti gibi avantajları, bu yapılar için tıp ve tekstil gibi alanlarda farklı potansiyel kullanım alanları oluşturmuştur. Ayrıca günümüzde, negatif Poisson oranına sahip yapıların basma ve bükülme özelliklerine yönelik çalışmalar olmasına rağmen, titreşim yalıtımına etkisini inceleyen çalışmalar henüz yapılmamıştır. Bu tez çalışmasında, bahsedilen boşluğu gidermek amacıyla, negatif Poisson oranına sahip kafes yapıların titreşim yalıtma performansı incelenmiştir. İlk olarak performansının karşılaştırılacağı pozitif Poisson oranına sahip kafes yapılar literatürden seçilmiş, ardından negatif Poisson oranına sahip yapıların bir türü olan girintili petek (öksetik) yapı kullanılarak literatürden seçilen kafes yapılar ile eş hacme sahip kafes yapılar oluşturulmuştur. Bu aşamada, kafes yapıyı oluşturmada kullanılacak geometrik parametreler de belirlenmiştir. Karşılaştırmanın ardından, belirlenen geometrik parametrelerin, yapının titreşim yalıtım performansına olan etkisini görmek amacıyla farklı parametre kombinasyonlarına sahip kafes yapılar oluşturulmuş ve sonlu elemanlar analizi ile doğal frekans, rijitlik ve maksimum gerilme değerleri hesaplanmıştır. Daha sonra, eklemeli imalat yöntemlerinden biri olan malzeme ektrüzyonu yöntemi ile üretilen numunelere darbe çekici yardımıyla titreşim testleri yapılarak analizlerden elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır. Son olarak, titreşim yalıtımı için kullanılabilecek farklı geometrik parametrelere sahip kafes yapılar için bir tasarım uzayı oluşturulmuştur. Bu çalışmada, tasarım ve analiz adımlarında ticari sonlu elemanlar analiz programı ABAQUS kullanılmış ve tasarlanan bu yapılar ARTIBOYUT A0 3D YAZICI' da üretilmiştir. Titreşim testlerinde, yapının titreştirilmesi ve bu titreşim altındaki ivmelenmesinn ölçülmesi için sırasıyla PCB darbe çekici ve ivmeölçer; elde edilen sinyallerin verilere dönüştürülmesi için LabVIEW yazılımı kullanılmıştır. Bu raporda, tasarım, analiz, üretim ve deney aşamaları hakkında bilgiler detaylı olarak sunulmuştur.
Erimiş filament fabrikasyonu süreç parametrelerinin, üretilen latis yapıların etkin elastik malzeme özelliklerine etkisinin deneysel incelenmesi
Eklemeli İmalat Teknolojisi, ilk ortaya çıktığı zaman hızlı prototipleme için kullanılmış olsa da günümüzde özellikle havacılık-uzay ve savunma sanayinde, otomotivde, medikalde ve enerji sektöründe sıklıkla başvurulan bir yönteme dönüşmüştür. Özellikle latis yapılar gibi boşluklu yapıları sayesinde hafiflik sağlayan karmaşık yapıların katman katman üretilebilmesi, latis yapıların bu üretim teknikleri ile üretilebilirliği ve endüstride kullanılabilirliği üzerine yapılan araştırmaları artırmıştır. Birçok farklı eklemeli imalat tekniği bulunmakla birlikte, erimiş filament fabrikasyonu (EFF) tekniği düşük maliyetli olmasından dolayı yaygın olarak tercih edilmektedir. Fakat, EFF proses parametrelerinin üretilen parçaların mekanik özelliklerine etkisinin yüksek olduğu bilinmektedir. Literatürde EFF proses parametrelerinin mekanik özelliklere etkisi üzerine yapılan araştırmaların büyük çoğunluğu tam dolu numuneler üzerinedir. O yüzden, bu çalışmanın amacı, erimiş filament fabrikasyonu (EFF) ile üretilen latis yapıların etkin malzeme özelliklerine ÖZET v proses parametrelerinin etkisinin incelenmesidir. Bu teknik ile üretilecek numunelerin malzemesi için Polilaktik Asit (PLA) kullanılmıştır. Bu çalışmada üç farklı temel latis yapı türü olan Basit Kübik (BK), Hacim Merkezli Kübik (HMK) ve Yüzey Merkezli Kübik (YMK) seçilmiştir. Elde edilecek numunelerin etkin elastik malzeme özelliklerine en çok etkisi olan ve literatürde yer alan araştırmalarla desteklenen parametreler seçilmiştir. Bu amaçla, EFF için süreç parametreleri olan katman kalınlığı, nozül sıcaklığı ve baskı hızı başlıklarının her biri için üçer seviye belirlenmiştir. Deney tasarımı oluşturulurken Taguchi Metoduna başvurulmuştur. Taguchi metodu ile belirlenen farklı süreç parametre değer grupları için üretilen latis numunelerin basma testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerden basma modülü ve basma dayanımı sonuçları elde edilmiştir. EFF süreç parametrelerinin bu özelliklere etkilerini kıyaslayabilmek adına, MATLAB programı yardımıyla varyans analizi (analysis of variance - ANOVA) yöntemi kullanılmıştır. Bu kafes yapıların üretiminde en yüksek elastik özelliklere sahip olmaları için gerekli parametre değerleri belirlenmiştir. Elde edilen bulgular, latis yapılarla ilgili çalışmalara ışık tutması ve mühendislik uygulamalarında kullanılan tam dolu yapıların yerini latis yapıların almaya başlaması adına yararlı bir kaynak olacaktır.
Jet uçağı ile taşınan bir faydalı yükün yapısal cevap kestirimi
Jet uçağı ile taşınan bir faydalı yükün cevap kestirimi için geleneksel olarak askeri şartnameler kullanılmakta, frekans ve genlikler hesaplanmaktadır. Bu tez çalışmasında jet uçağı ile taşınan bir faydalı yükün içerisinde bulunan ekipmanların yapısal cevabının yapay sinir ağları (YSA) kullanılarak incelenmesi ve tahmin edilmesi amaçlanmıştır. YSA modellerinin oluşturulması için, üzerinde güdüm kiti bulunan, kütlesel ve geometrik özellikleri Mark-83 harp başlığı ile aynı olan temsili bir yapıdan gerçek uçuş koşullarında veri toplanmıştır. Uçak hızı ve uçuş irtifası değiştirilmesi ile elde edilen yetmiş beş farklı uçuş koşulunda toplanan veriler ile YSA eğitilmiş, bunlardan bağımsız olarak seçilen sekiz uçuş durumunda ise performansı test edilmiştir. Yapısal cevaplar faydalı yük içerisine yerleştirilen ivmeölçerden veri toplama sistemi aracılığı toplanmış, ivme güç spektrumu yoğunlukları (İGSY) olarak frekans tabanına dönüştürülmüştür. Ölçümlerden maksimum yapısal cevap tahmini elde etmek için tolerans limitleri kullanılmıştır. Maksimum cevap elde etmek için tanınmış tolerans limitlerinden ayrı olarak, üçüncü derece normal ve logaritmik polinom dönüşümü de literatürde ilk kez bu çalışmada yapısal cevap kestirimi için kullanılmış ve bunların performansı diğer tolerans limitleri ile karşılaştırılmıştır. Tolerans limitleri kullanılarak elde edilmiş yapısal cevap tahminleri frekans alanında askeri şartname ve deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bu yüklerin yapısal parça tasarımı üzerindeki etkisini göstermek için bir vaka örneği çalışması yapılmıştır. Yapısal tasarımda kullanılacak yükler üç-sigma kuralı ile 20-300 Hz frekans bandı aralığında hesaplanmıştır. Bir destek parçası üç farklı yük durumu için VRAND GENESIS yapısal eniyileme paket programı kullanılarak tasarlanmıştır. YSA tahmini ve test sonucu yapısal cevap verilerinden türetilmiş yükler kullanılarak yapılan eniyileme sonucu elde edilen destek parçası tasarımının, askeri şartname kullanılarak elde edilen tasarıma göre daha hafif olduğu ve aynı zamanda istenilen emniyet faktörü isterini de sağladığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak, faydalı yük içerisinde bulunan ekipmanların yapısal cevaplarının tez kapsamında geliştirilen yaklaşım ile yüksek doğruluk seviyesinde tahmin edildiği görülmüştür. Askeri şartnamenin önerdiği cevap spektrumunun korunumlu olduğu ortaya çıkmıştır. Tolerans limiti tahminlerinin, askeri şartnameye göre daha doğru olduğu gözlenmiştir. Normal ve dağılımdan bağımsız tolerans limiti kullanılarak yapılan tahminlerin özellikle düşük frekans performansının diğer tolerans limitlerine göre daha iyi olduğu anlaşılmıştır. Üçüncü derece normal ve logaritmik polinom dönüşümü kullanılarak yapılan tahminler normal kestirim limiti ve zarf limitine göre daha iyi sonuç vermiştir. Bu tez ile önerilen yaklaşımın jet uçağı dış istasyonu ile taşınan faydalı yük içerisindeki ekipmanın yapısal cevap tahmininde iyi çalıştığı görülmüştür.
Eklemeli imalat için eş zamanlı proses parametre ve topoloji optimizasyonu
Eklemeli imalat (Eİ) teknolojisinin gelişmesi ile topoloji optimizasyonu (TO) kullanılarak tasarlanan karmaşık geometriler üretilebilmektedir. Havacılık endüstrisi gibi ağırlığın kritik olduğu sektörlerde, tasarımların mekanik isterleri sağlaması ve ağırlığının optimize edilmesi oldukça önemlidir. Bu çalışma kapsamında, Seçici Lazer Ergitme (SLE) yöntemi kullanılarak 9 farklı proses parametre seti ile AlSi10Mg malzemesine sahip numuneler üretilmiştir. Üretilen numunelerin mikroyapı görselleri taramalı elektron mikroskobu (TEM) yardımı ile elde edilmiştir. Mikroyapı görüntüleri kullanılarak, eriyik havuz boyutları, ötektik Si hücre boyutları ve Si çökelti boyutları ölçülmüştür. Ölçülen sonuçlar kullanılarak proses parametreleri ile hücre boyutları ve Si çökelti boyutları arasında parametrik ilişkiler kurulmuştur. Oluşturulan parametrik denklemler, Hall-Petch ve Orowan mukavemetlendirme mekanizmalarına entegre edilerek AlSi10Mg malzemesinin akma dayanımı ile proses parametreleri arasında bir ilişki kurulmuştur. Oluşturulan denklemler ile hesaplanan akma dayanımı sonuçları, nano-indentasyon testleri ile elde edilen akma dayanımı sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlar ile doğrulanan parametrik akma dayanımı modeli, tasarım problemlerine entegre edilmiştir. Tasarım uygulama problemleri olarak ankastre kiriş, MBB kirişi ve L braket tasarımı problemleri çözülmüştür. Her bir tasarım problemi, geleneksel topoloji optimizasyonu (GTO), yapısal topoloji optimizasyonu (YTO), ardışık proses parametre ve topoloji optimizasyonu (APPTO) ve son olarak eş zamanlı proses parametre ve topoloji optimizasyonu (EPPTO) olmak üzere 4 farklı yöntem ile çözülmüştür. Geliştirilen EPPTO yöntemi ile lazer gücü, tarama hızı ve topoloji aynı anda minimum maliyet amaçlanarak optimize edilmiştir. Ankastre kiriş ve MBB kiriş tasarım problemlerinin çözülmesi ile orta ölçekli tasarım problemlerine başarılı bir şekilde uygulanabilirliği kanıtlanan EPPTO yöntemi, son olarak havacılık endüstrisinde sıklıkla kullanılan L braket tasarımına uygulanmıştır. EPPTO yöntemi ile elde edilen sonuçlar, GTO sonuçları ile kıyaslandığında, ankastre kiriş, MBB kirişi ve L braket tasarımları için sırasıyla %18, %20 ve % 17 oranında toplam maliyetin azaltıldığı belirlenmiştir. Tüm tasarım problemlerinin sonuçları incelendiğinde, EPPTO yöntemi ile ağırlık, yapısal ve enerji yoğunluğu isterlerini sağlayan optimum üretim parametreleri ve topoloji elde edilerek, diğer TO yöntemlerine göre en düşük maliyet değerleri elde edilmiştir.
Eklemeli imalat ile üretilen latis yapılardaki belirsizliklerin rassal alan yöntemi kullanılarak modellenmesi
Latis yapılar, birbirine bağlı çubuk veya yüzey eleman ağından oluşan yapılar olarak tanımlanır. Söz konusu yapıların mikro seviyelerde tasarımı, hafif, dayanımı yüksek, güçlü mühendislik uygulamaları özelinde sağladığı avantajlar nedeniyle dünya literatüründe öncelikli alanlarda yer almıştır. Farklı uygulamalarda sağladığı avantajların yanı sıra, mikro seviyelerde tasarlanan karmaşık eleman ağı nedeniyle, bu yapıların üretilebilmesi, geleneksel imalat teknolojileriyle çok zor olmakta veya mümkün olamamakta; ancak son zamanlarda geliştirilen eklemeli imalat (Eİ) yöntemlerinin kullanılmasıyla mümkün olabilmektedir. Öte yandan, bu yöntemlerin katman katman üretim stratejisine dayanması nedeniyle, tasarlanan latis yapılar üretildiğinde çubuk elemanların geometri ve malzeme özellikleri üzerinde mikro ve milimetre seviyesinde değişkenlikler ve belirsizlikler oluşmaktadır. Literatürde latis yapılardaki belirsizliklerin karakterize edilmesi konusunda birçok çalışma bulunmaktadır; fakat bu belirsizlikler sadece rassal değişkenlerle modellendiğinden elemanlar üzerindeki konuma bağlı değişimler göz ardı edilmektedir. Dolayısıyla, bilgisayar ortamında modellenen latis yapılar, Eİ ile üretildiğinde, modellenen yapının performansı ile üretilen yapının performansı arasında bir farklılık oluşmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, bu soruna çözüm sağlamak için, latis yapılardaki çubuk elemanların bir Eİ tekniği olan ergimiş filament fabrikasyonu (EFF) yöntemi kullanılarak üretimi sürecinde meydana gelen geometri ve malzeme özelliklerindeki belirsizliklerin, rassal alan yöntemi kullanarak konuma bağlı modellenmesidir. Bu amaç doğrultusunda, kafes yapıların çubuk elemanları, farklı açı ve çap değerlerinde, EFF yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Numuneler, dijital kameralı ışık mikroskopu altında görüntülenmiş ve görüntüler üzerinden üretilen her bir katmanda geometrik ölçümler gerçekleştirilmiştir. Bu ölçümler, rassal alan yöntemi kullanılarak konuma bağlı değişimlerin karakterize edilmesinde kullanılmıştır. Rassal alan yöntemiyle modellenen değişimler, voksel çözüm ağı elemanları kullanılarak çubuk eleman modellerine dahil edilmiş, belirsizlikler içeren sonlu elemanlar modelleri oluşturulmuştur. Konuma bağlı değişimleri içeren modeller, çekme testi sınır koşulları altında analiz edilerek, çubuk elemanlar için etkin geometri ve malzeme özellikleri elde edilmiştir. EFF yöntemi ile üretilen latis yapıların üretim sürecinde meydana gelen belirsizliklerin karakterize edilmesi için önerilen bu yöntem, farklı Eİ yöntemleri için genişletilebilir.
İzotropi koşullu latis malzemeler kullanarak topoloji optimizasyonu
Latis malzemeler, hafiflik, direngenlik, titreşim sönümleme ve ısı yalıtımı gibi birçok avantaja sahiptir. Eklemeli imalat teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte latis malzemelerle yapılan tasarımlar üretilebildiğinden, günümüzde birçok farklı alanda kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Latis malzemeler ile tasarım yapılırken, homojenizasyon tabanlı topoloji optimizasyonu ile yoğunluk eşleştirme gerçekleştirilerek parça içerisindeki latis hücrelerin uygun yoğunlukları belirlenmektedir. Fakat, çoğu latis malzemenin mekanik davranışları kompozit malzemelerde olduğu gibi yöne bağlı olarak değişmekte olup izotropik değildir. Topoloji optimizasyonunda yoğunluk eşleştirme için ticari yazılımlarda da basitliğinden dolayı yaygın olarak kullanılan cezalandırma ile katı izotropik malzeme (Solid Isotropic Material with Penalization - SIMP) yöntemi kullanıldığında, izotropik olmayan homojenize özellikler farklı doğrultularda farklı gerilme ve yer değiştirme oluşturacağından latis malzemelerin kullanımında sorun oluşmaktadır. Bu tez kapsamında, bu sorunun çözümü için, izotropi koşullu yoğunluk eşleştirme (İKYE) modeli önerilmiştir. Önerilen bu model sayesinde, tüm yoğunluk değerlerinde homojenize elastik özelliklerinin izotropi koşulunu sağladığı çubuk elemanlarla modellenmiş latis hücreler belirlenmiştir. Bu latis hücreler izotropi koşulunu sağladığı için, SIMP yöntemi ile topoloji optimizasyonunda kullanılabilmektedir. Topoloji optimizasyonunda kullanılacak yoğunluk aralığı eklemeli imalat ile üretilebilecek şekilde belirlenmiştir. Önerilen yöntemin etkinliğini göstermek amacıyla literatürde eklemeli imalat ile üretim için tasarlanan farklı üç boyutlu nümerik örnekler üzerinde uygulamalar yapılmıştır. Bu çalışmada, sonlu elemanlar modelinin oluşturulması, homojenize malzeme özelliklerinin elde edilmesi ve topoloji optimizasyonu aşamalarında ABAQUS yazılımı kullanılmış; latis tasarımlarının yüzey ve katı modelleri oluşturulurken ise MATLAB programından faydalanılmıştır. İKYE modeli ile oluşturulan optimize tasarım sonuçları, literatürde dikkate alınan sonuçlarla karşılaştırılıp üstünlüğü gösterilmiş ve doğrulanmıştır. Önerilen bu yöntem sayesinde, izotropi şartını sağlayan latis konfigürasyonları belirlenirken, aynı zamanda ticari yazılımlarda mevcut olan SIMP ile topoloji optimizasyonu kullanılarak latis hücrelerin makroskopik dağılımlarının elde edilebildiği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Latis malzeme, Homojenizasyon, İzotropi, Topoloji optimizasyonu, Eklemeli imalat.
Tetra kiral ve içe girintili çarpışma kutularının performanslarının deneysel ve sayısal yöntemlerle incelenmesi ve optimizasyonu
Çarpışma kutuları kaza anında ortaya çıkan deformasyon enerjisini sönümleyerek taşıt içine en az seviyede iletilmesini sağlayan pasif güvenlik sistemleridir. Günümüzde imalat sektöründeki teknolojik ilerlemeler sayesinde negatif Poisson oranına sahip yapıların üretilebilirliği kolaylaşmış ve bunun sonucu olarak da negatif Poisson oranına sahip yapılar üzerine bir hayli araştırma yapılagelmiştir. Bu tez çalışmasında negatif Poisson oranına sahip, birim hücre yapısı tetra kiral ve içe girintili olarak adlandırılan kare ve silindirik çarpışma kutuları üzerine durulacaktır. Öncelikle bu yapıların çarpışma performansları değerlendirilecek, ardından optimum çarpışma kutusu tasarımı için eniyileme yapılacaktır. Çalışma kapsamında, çarpışma kutusu tasarımında kullanılacak olan 6061-T6 alüminyum malzemenin mekanik özelliklerini belirlemek için çekme numuneleri hazırlanmış ve çekme tesleri yapılmıştır. Bu özellikler, LS-DYNA yazılımı kullanılarak oluşturulan sonlu elemanlar modellerinde kullanılmıştır. Sonlu elemanlar modellerini doğrulamak için, çekme numunelerinin hazırlandığı plakadan tetra kiral ve içe girintili çarpışma plakaları üretilmiş, bu plakaların çarpışma testleri yapılmış ve oluşturulan sonlu elemanlar modelleri test sonuçları ile kıyaslanarak doğrulanmıştır. Sonlu elemanlar modelleri doğrulandıktan sonra, Latin hiperküp örneklemesi yöntemi ile her bir yapı için 40 geometrik parametre kombinasyonu oluşturulmuştur. Bu kombinasyonlar için, oluşturulan sonlu elamanlar modelleri kullanılarak çarpışma analizleri yapılmış ve çarpışma metrikleri hesaplanmıştır. Ardından, her bir çarpışma metriği için MATLAB yazılımı kullanılarak Kriging vekil modelleri oluşturulmuştur. Çarpışma kutularının optimum tasarımlarının belirlenebilmesi için çok amaçlı optimizasyon problemi oluşturulmuş, bir önceki adımda oluşturulan Kriging vekil modelleri MATLAB yazılımında ön tanımlı genetik algoritma fonksiyonuna entegre edilerek optimizasyon problemi çözülmüş ve Pareto optimum tasarım noktaları belirlenmiştir. Elde edilen bulgular ışığında; silindirik çarpışma kutularının daha iyi özgül enerji emilimi değerine sahip olduğu, kare çarpışma kutularının ise daha iyi çarpışma yükü verimliliği değerlerine sahip olduğu belirlenmiştir. Ek olarak, içe girintili çarpışma kutularının özgül enerji emilimi ve çarpışma yükü verimliliği bakımından daha üstün bir davranış sergilediği görülmüştür. Elde edilen tüm optimum tasarımlar değerlendirildiğinde ise; içe girintili silindirik çarpışma kutusunun diğer üç tip çarpışma kutusuna (içe girintili kare, tetra kiral silindirik ve tetra kiral kare) göre daha iyi özgül enerji emilimi ve çarpışma yükü verimliliği değerlerine sahip olduğu görülmüştür.
Sünek alüminyum plakalarda çatlak ilerleme mekanizmalarının nümerik ve deneysel metotlarla incelenmesi
Sünek metal plakaların yırtılması esnasında çatlaklar dört farklı şekilde ilerler: i-) eğik (slanted) çatlak, ii-) bardak-kapaksı (cup-cone) çatlak, iii-) bardak-bardaksı (cup-cup) çatlak ve iv-) bu üçünün karışımı. Çatlak ilerleme mekanizması, plakanın geometrisine, malzeme özelliklerine ve yükleme koşullarına göre değişmektedir. Literatürdeki birçok deneysel çalışma, plaka malzemesinin pekleşme kapasitesinin çatlak ilerleme mekanizmasında etkili olduğunu ortaya konmuştur. Yüksek pekleşme kapasitesine sahip metallerde çatlak ilerlemesinden önce oldukça yoğun çatlak ucu boyun vermesi gerçekleşmektedir. Boyun verme bölgesinin merkezindeki gerilme üç eksenliliği, plakanın yan yüzeylerindekine kıyasla oldukça yüksek değerlere ulaşmakta, dolayısıyla çatlak plakanın merkezinde oluşup, bardak-bardaksı olarak ilerlemektedir. Düşük pekleşme kapasitesine sahip metallerde ise, çatlak ucundaki boyun verme düşük düzeylerde kalmakta, plastik deformasyon kesme kuşaklarında yoğunlaşmakta ve çatlak eğik veya bardak-kapaksı olarak ilerlemektedir. Deney sonuçları ayrıca, düşük yükleme hızlarında (sanki-statik) bardak-bardaksı ilerlemenin, yüksek hızlarda ise eğik veya bardak-kapaksı ilerlemenin daha etkin bir mekanizma olduğunu ortaya koymuştur. Mevcut literatür, daha ziyade plakaların mekanik/geometrik özellikleri üzerine yoğunlaşmıştır; mikroyapı ile çatlak morfolojisi ilişkisi henüz net bir şekilde ortaya konamamıştır. Bu tezin temel amacı, mikroyapının çatlak ilerleme mekanizmasına etkilerini ayrıntılı olarak araştırmaktır. Sünek metal ve metal alaşımlarında çatlaklar, temel olarak, büyüklükleri µm mertebesinde olan ikinci faz parçacıklar tarafından peydahlanan boşlukların büyümesi ve birleşmesiyle ilerler. Tezin ana hipotezi, bu parçacıkların/boşlukların alan oranlarının, ortalama büyüklüğünün, en-boy oranının ve uzaysal dağılımlarının çatlak ilerleme mekanizmasını etkileyeceğidir. Bu hipotezi test etmek amacıyla, hem nümerik hem deneysel çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmalar hipotezi doğrulamış, elde edilen sonuçlar, ufak, dairesele yakın ve birbirine uzak parçacıkların bardak-bardaksı, büyük, ince uzun ve birbirine yakın parçacıkların ise eğik veya bardak-kapaksı çatlak ilerlemesine yol açtığını göstermiştir. Ayrıca yapılan nümerik çalışmalar, parçacıkları temsil eden eliptik boşluk peydahlanma bölgelerinin oryantasyonunun, aralarındaki etkileşimi ve kırılma oluşum bölgesi içerisindeki plastik deformasyonun gelişmini etkilediğini göstermiştir. Kalınlık boyunca parçacıklar arasındaki dik mesafenin azalmasına ve/veya parçacıkların bir kesme bandı üzerinde hizalanmasına izin veren oryantasyon açıları plastik deformasyonun ince bir bant üzerinde erken lokalizasyonunu desteklemektedir. Bu durum düşük plaka yırtılma enerjisi ve eğik/bardak-kapaksı kırılma tipi ile sonuçlanmaktadır. Parçacıklar arasındaki etkileşimleri zorlaştıran bir oryantasyon açısı ise plastik lokalizasyon geciktirerek yüksek plaka yırtılma enerjisine ve bardak-bardaksı kırılma tipine yol açmaktadır.
Mekanik sistemlerin güvenilirlik tahmini için yeni bir güvenilirlik ekstrapolasyon yöntemi geliştirilmesi
Asimtotik örnekleme (ing. asymptotic simulation, AS), yüksek güvenilirlikli yapıların küçük hasar olasılıklarını tahmin etmek için kullanılan simülasyon tabanlı verimli bir tekniktir. AS rassal değişkenlerin standart sapmalarına göre güvenilirlik indislerinin asimtotik davranışını kullanır. Bu yöntemde, rassal değişkenlerin standart sapmaları, bir dizi ölçeklendirilmiş güvenilirlik indisi elde etmek için bir ölçek parametresi kullanılarak kademeli olarak artırılır. Standart sapma ölçek parametreleri ve bunlara karşılık gelen ölçeklendirilmiş güvenilirlik indislerine destek noktaları denir. Daha sonra bu destek noktaları kullanılarak, ölçek parametresi ile ölçeklendirilmiş güvenilirlik indisleri arasında bir ilişki kurmak için regresyon gerçekleştirilir. Son olarak, oluşturulan regresyon modeli kullanılarak gerçek güvenilirlik indisini tahmin etmek için ekstrapolasyon yapılır. AS yönteminin doğruluğu ve performansı; kullanılan örnekleme yöntemi, ölçek parametrelerinin değerleri, destek noktalarının sayısı ve ekstrapolasyon modellerinin formülasyonu gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Bu çalışmanın amaçlarından biri, yüksek güvenilirlikli sistemler için AS yönteminin performansının kritik bir değerlendirmesini yapmak ve AS yönteminin performansını iyileştirmek için bazı öneriler sunmaktır. Örnekleme yöntemi olarak Sobol dizisi kullanımının Latin hiperküp örneklemesi (ing. Latin hypercube sampling) kullanımından daha etkin olduğu, başlangıç ölçek parametresinin en uygun değerinin 0,4 olduğu, 4 destek noktasının kullanılmasının doğruluk ve verimlilik açısından en iyi sonuçları verdiği ancak çok yüksek güvenilirlik değerleri için 5 destek noktası kullanılmasının daha uygun olduğu ve 6 modelli ortalama ekstrapolasyon formülünün 10 modelli ortalama ekstrapolasyon formülünden daha doğru sonuçlar verdiği bulunmuştur. Yöntemin performansını etkileyen diğer bir etken de regresyon türüdür. Önceki çalışmalarda, güvenilirlik indisleri ile destek noktaları arasındaki ilişki doğrusal olmayan regresyon kullanılarak kurulmuştur. Bu çalışmada ise regresyon için, daha gelişmiş makine öğrenme (Gauss süreci, destek vektör regresyonu) ve vekil model (Kriging) tekniklerinin kullanımı araştırılmış ve bu tekniklerin doğrulukları farklı örnek problemler üzerinden doğrusal olmayan regresyon ile karşılaştırılmıştır. Doğrusal olmayan regresyon tekniği ile yapılan ekstrapolasyonun Gauss süreci, destek vektör regresyonu ve Kriging vekil modelinden daha doğru sonuçlar verdiği bulunmuştur. AS yönteminin doğruluğunu arttırmak için literatürde farklı ekstrapolasyon modellerinin ortalama değerinin kullanıldığı bir ortalama ekstrapolasyon formülasyonu önerilmiştir. Bu formülasyon, yanlış ekstrapolasyon modelinin kullanılmasına karşı koruma sağlasa da, mevcut en iyi ekstrapolasyon modelinden daha iyi bir güvenilirlik tahminini garanti etmemektedir. Bu çalışmada ise, ağırlık faktörlerinin optimize edildiği bir ağırlıklı ortalama AS formülasyonu önerilmiştir. Ağırlık faktörleri optimizasyonunda bootstrap (yeniden örnekleme) yöntemiyle hesaplanan, güvenilirlik indisi tahmininin varyans değeri en aza indirilmiştir. Ağırlık faktörlerinin optimizasyonunda hem dışbükey (ing. convex) hem de afin (ing. affine) formülasyonlar kullanılmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Önerilen yöntemin performansı, farklı örnek problemler kullanılarak değerlendirilmiştir. Önerilen ağırlıklı ortalama formülasyonunun, ortalama ekstrapolasyon formülasyonundan daha yüksek doğruluğa sahip olduğu bulunmuştur. Ağırlık faktörlerinin optimizasyonu için, çoğu durumda afin formülasyonun dışbükey formülasyondan daha doğru sonuçlar verdiği görülmüştür.
Latis malzemelerin yük taşıma ve şekil değiştirme kapasitelerinin incelenmesi
Latis malzemeler periyodik olarak tekrar eden birim hücrelere sahip boşluklu katılardır. Dolu malzemelere göre hafif olmaları nedeniyle titreşim sönümlemede, şekil değiştiren yapılarda ve daha pek çok mühendislik uygulamalarında eşsiz çözümler sunmaktadır. Latis malzemelerin yük taşıma ve şekil değiştirme özelliklerinin incelendiği bu çalışmada, latis yapıların iki farklı uygulama alanı çalışılmıştır. Bunlardan ilki latis malzemelerdeki kusurların eyleyici performansına olan etkisinin incelenmesi, diğeri de latis yapıların Kapasitif Mikroişlenmiş Ultrasonik Çevirgeç (KMUÇ) cihazlarında kullanımıdır. Latislerde malzeme kusurlarının incelendiği bölümde, sınır şartları kaynaklı etkilerden arınacak kadar büyük latis yapılar ele alınmıştır. Eyleyici uygulamalarında olan başarısıyla literatürde bilinen Kagome latisle birlikte buna alternatif olabilecek Çift Kagome ve Eşmerkez Üçgenli Kagome latis yapılar üzerinde orta bölümden eyleyici ile hareket verilmiş ve bu hareketin latis içerisindeki sönümlenme mesafesi ve eyleyicinin harcadığı enerji ölçülmüştür. Çalışmadaki latis yapılara, eyleyici hareketinin oluştuğu koridor boyunca tanımlı konuma tek kusur ve koridor harici tanımlı alanlara rastgele dağıtılmış kusurlar eklenmiştir ve bu kusurların eyleyici performansına ve yapının genel direngenliğine etkisi incelenmiştir. Latis üretiminde yaygın olarak görülebilen kırık hücre duvarı, eksik hücre, dalgalı hücre duvarı, sapmış hücre ve değişken kalınlıklı hücre duvarı kusurları çalışılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda, kusurların eyleyici koridoru üzerinde olmaları halinde, kusursuz yapının sönümleme mesafesine kadar olan mesafede olduklarında hareketi durdurdukları, fakat bu mesafenin ötesinde olduklarında hareketi önemli ölçüde ileri taşıyabildikleri görülmüştür. Eyleyici koridoru dışında rastgele dağılan kusurlar içinse tüm latis yapılarda kusurların eyleyici performansını iyileştirme ve yapı direngenliğini düşürme etkinlikleri benzer sıradadır. En önemli etkiyi kırık hücre duvarı yaparken bunu eksik hücre, ardından da dalgalı hücre duvarı kusurları izlemektedir. Sapmış hücre duvarı, etkisi diğer kusurlardan az olacak şekilde, kendi içinde rastgele parametreleri nedeniyle saçılgan bir davranış sergilemektedir. Değişken kalınlıklı hücre duvarı ise en düşük etkinliğe sahiptir. Yapı genelinde latislerin bağlantı sayılarını en fazla azaltan kırık hücre duvarı en etkili kusurken, bağlantı sayısını azaltmayan değişken kalınlıklı hücre duvarı en düşük etkiye sahiptir. KMUÇ cihazı, kendisine uygulanan elektrik alan sebebiyle oluşan kapasitif kuvvetler neticesinde titreyen, bu titreşim ile bulunduğu akustik ortamla etkileşim için olan bir elekto-akustik enerji çevirgecidir. Bu cihazda bir tarafı vakum olan ankastre bir plaka doğal frekansında titreştirilerek diğer taraftaki akustik ortama dalgalar gönderilmektedir. Doğrusal rejimde çalıştırılmak istenen bu cihazlarda, ankastre plakanın mekanik hareketi kaynaklı doğrusal olmayan etkiler ortaya çıkmaktadır. Yapılan çalışmada KMUÇ plakası üzerinde negatif Poisson oranına sahip latis yapıların kullanılmasıyla, katı plaka ile aynı doğal frekansa sahip olan fakat doğrusal çalışma aralığı 3 katına çıkan ve mekanik empedansı düşen tasarımların mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu sayede düz plaka tasarımlarının aksine dinamik davranış değiştirilmeden plaka hareketi daha düşük yüklerle arttırılmış doğrusal rejimde yapılabilecek ve çığır açıcı KMUÇ cihazlarının tasarlanmasının önü açılacaktır.
Uçak kanadı tasarımının uygun dikgen ayrıklaştırma ve tümevarımsal tasarım araştırma yöntemi kullanılarak belirsizlik altında disiplinlerarası optimizasyonu
Belirsizliklerin dahil edildiği uçak kanatlarının gürbüz optimizasyon süreci, karmaşık parametrik geometri tanımlamalarından dolayı yüksek sayıda tasarım değişken sayısına sahiptir. Gürbüz optimizasyon problemlerinde değişken sayısının artması yüksek hesaplama maliyetlerine sebebiyet vermektedir. Bu yüzden tasarım değişken sayısının ve tasarım karmaşıklığının azaltılması gürbüz optimizasyon süreçleri için büyük önem arz etmektedir. Bu sorunlara çözüm olarak uygun dikgen ayrıştırma yöntemi, tümevarımsal tasarım araştırma yöntemi ile entegre edilerek hesaplama yükü azaltılmıştır. Uygun dikgen ayrıştırma yöntemi, bir boyut azaltma yöntemi olup gürbüz optimizasyon sürecinde kanat tasarım değişkenlerini analiz ederek baskın özellikleri çıkartmaktadır. Hesaplanan baskın özellikler yardımıyla daha az sayıda tasarım değişkeni kullanılarak kanat geometrisi yeniden parametrik hale getirilip hesaplama maliyeti açısından avantaj sağlanmaktadır. Tümevarımsal tasarım araştırma yöntemi sayesinde ise tasarım gereksinim ve kısıtları göz önünde bulundurularak hem tasarım girdilerindeki hem de simülasyon modellerindeki belirsizlikler hesaplamalara dahil edilip gürbüz tasarımlar hesaplanmıştır. Tümevarımsal tasarım araştırma yönteminin temelinde yatan fikir, belirsizliklerin hesaba katıldığı tasarımlar için, bir gürbüzlük kriterine göre tasarım alternatiflerini değerlendirmek ve gürbüz tasarımları belirlemektir. Bu amaçla, hesaplanan gürbüz tasarımlar, amaç fonksiyonu ve gürbüzlük kriteri açısından kıyaslanarak avantaj ve dezavantajları değerlendirilmiştir. Gürbüz optimizasyon süreçlerinde bir diğer sorun ise özellikle hem aerodinamik hem de yapısal gereksinimlerin göz önünde bulundurulduğu disiplinlerarası çalışmalarda yüksek doğruluk seviyesine sahip hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve sonlu elemanlar analizlerinin kullanılmasının hesaplama sürelerini arttırmasıdır. Bu yüzden yüksek doğruluklu hesaplama yöntemlerinin kullanımından gelen hesaplama yükü ise uygun dikgen ayrıklaştırma tabanlı radyal bazlı fonksiyon vekil modeli ile azaltılarak tasarım uzayı araştırılmıştır. Kullanılan vekil modelin tasarım çıktılarını tahmin yeteneği de hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve sonlu elemanlar analizinden hesaplanan değerler ile kıyaslanarak kullanılan yöntemin verimliliği değerlendirilmiştir. Tasarım esnasında meydana gelen belirsizliklerden ötürü hesaplanan ve üretilen tasarımlar arasında farklılıklar mevcuttur. Bu yüzden disiplinlerarası gürbüz optimizasyon çalışması için belirsizliklerin belirlenmesi de bir diğer önemli husustur. Bu çalışmada hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde kullanılan türbülans modelinden meydana gelen belirsizlikler, özuzay sarsınım yöntemi ile belirlenmiştir. Bu sayede tasarım çıktılarının türbülans modelinden ötürü meydana gelen belirsizlikler altındaki değişimi hesaplanmıştır. Kanat iç yapısının dayanımı, kanat ağırlığı gibi konuların dahil olduğu yapısal optimizasyon sürecinde ise kafes hücre yapılarından faydalanılmıştır ve kafes hücrelerinin üretiminden meydana gelen belirsizlikler de hesaplanarak gürbüz optimizasyon çalışmasına dahil edilmiştir.
Latis malzemelerin enerji emme ve ezilme davranışlarının statik ve dinamik yüklemeler altında incelenmesi
Latis malzemeler, yoğun katılara kıyasla, hafiflik, yüksek mukavemet ve yüksek enerji emme kapasitesi gibi bir dizi üstün özelliklere sahiptir. Bu üstün özelliklerinden dolayı latis malzemeler makine, inşaat, havacılık, uzay, otomotiv, biyomedikal ve kişisel koruyucu ekipmanlar dâhil olmak üzere çeşitli endüstrilerde yapısal bileşenler olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Eklemeli imalat teknolojilerinde son yıllarda yaşanan ilerlemeler, geleneksel üretim metotları ile üretilemeyen geometriye sahip latis malzemelerin üretilebilir hale gelmesini mümkün kılmıştır. Bununla birlikte, teknolojinin gelişmesiyle daha yüksek enerji emme kapasitesine sahip malzemelere olan ihtiyaçların artması, farklı birim hücre geometrilerine sahip latis malzemelerin enerji emme ve ezilme davranışlarının incelenmesini önemli bir araştırma konusu haline getirmiştir. Ancak, bu tür malzemeler üzerine yapılan çalışmalar, günden güne artmakla birlikte, genellikle Altıgen ve diğer klasik latis malzemelerle sınırlıdır. Bu çalışmada, üstün mekanik özelliklere sahip, Karma Altıgen-2 Üçgen, Hiyerarşik-3 Üçgen, Değiştirilmiş Kagome-I, Değiştirilmiş Kagome-II ve Değiştirilmiş Kagome-III adında beş yeni izotropik latis malzemenin (C Tekoğlu. Truss-lattice materials consisting of mixed polygons, 2023. World Intellectual Property Organization, Başvuru numarası:PCT/TR2022/051154.) düzlem içi enerji emme ve ezilme davranışları sonlu elemanlar analizleri ile incelenmiştir. Sonuçlar, Altıgen ve Üçgen-Üçgen latislere ait analizlerle karşılaştırılmıştır. Latislerin ezilme davranışları gözlemlenerek yükleme hızına göre 3 farklı deformasyon modu tanımlanmıştır: sanki statik, geçiş ve dinamik mod. Enerji emme ve ezilme davranışları, literatürde sıklıkla kullanılan beş farklı metrik kullanılarak karşılaştırılmıştır: yoğunlaşma birim şekil değiştirmesi, tepe çarpışma gerilmesi, ortalama plato gerilmesi, toplam enerji emilimi ve ideallik parametresi. Sanki statik ve geçiş modlarında Üçgen-Üçgen latis ile birlikte Değiştirilmiş Kagome-II latis yapısı en düşük enerji emme kapasitesine sahiptirler. Karma Altıgen-2 Üçgen, Hiyerarşik-3 Üçgen, Değiştirilmiş Kagome-I ve Değiştirilmiş Kagome-III latis yapıları, Altıgen latise kıyasla sanki statik modda sırasıyla, %19.6, %20.2, %19 ve %27, geçiş modunda ise sırasıyla, %17, %11.6, %10.8 ve %29.5 daha yüksek enerji emme kapasitesi sergilemiştir. Dinamik modda ise Altıgen latis en düşük enerji emme kapasitesine sahiptir. Karma Altıgen-2 Üçgen, Hiyerarşik-3 Üçgen, Üçgen- Üçgen, Değiştirilmiş Kagome-I, Değiştirilmiş Kagome-II ve Değiştirilmiş Kagome-III latis yapıları dinamik modda sırasıyla, Altıgen latise kıyasla, %22.5, %5, %5.1, %9.9, %10.8 ve %26.1 daha yüksek enerji emme kapasitelerine sahiptir. Tüm deformasyon modlarında en yüksek enerji emme kapasitesine sahip latis Değiştirilmiş Kagome-III'tür. İdeallik parametresi açısından ise Hiyerarşik-3 Üçgen latis yapısı ideal bir enerji emiciye en yakın davranışı sergilemiştir. Bu çalışma, tez kapsamında incelenen latislerin enerji emme ve ezilme uygulamalarında sıklıkla kullanılan Altıgen ve diğer klasik latis malzemelere önemli rakipler olduklarını açıkça ortaya koymaktadır.
Biyo ilhamlı hibrit bir enerji sönümleyici profilin enerji sönümleme performansının deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
Biyo ilhamlı yapılar sahip oldukları yüksek mukavemet ve hafiflikten dolayı otomotiv, savunma, uzay ve havacılık ve biyomedikal gibi birçok endüstriyel sektörde kullanılmaktadır. Son yıllarda üç boyutlu baskı ile üretim ve simülasyon teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte biyo ilhamlı yapılar enerji sönümleyici profiller olarak kullanılmaya başlanmıştır. Hurma ağacının (Lat. Phoenix dactylifera) gövdesinin kesitinden esinlenilerek elde edilen spiral parça, içi boş aluminyum tüpün içerisine eklenerek biyo ilhamlı hibrit bir enerji sönümleyici profil elde edilmiştir. Bu biyo ilhamlı hibrit enerji sönümleyici profilin enerji sönümleme performansı deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. ANSYS LS-DYNA kullanılarak oluşturulan benzetim modelleri, eksenel ezilme testleriyle doğrulanmıştır. Üç farklı tasarım değişkenine (spiral devri, et kalınlığı ve hücre sayısı) sahip biyo ilhamlı hibrit enerji sönümleyici profilin enerji sönümleme performansını arttırmak için Yanıt Yüzey Metodu ve Kriging vekil modelleri oluşturularak tasarım eniyilemesi çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Başlangıç tasarımındaki biyo ilhamlı hibrit enerji sönümleyici profilin, içi boş aluminyum profile göre özgül enerji sönümleme kapasitesinin (SEA) ve ezilme kuvveti verimliliğinin (CFE) sırasıyla %17,2 ve %4,6 daha yüksek çıktığı saptanmıştır. Eniyileştirilmiş biyo ilhamlı hibrit enerji sönümleyici profilin, başlangıç tasarımına göre SEA ve tepe kuvvetinin sırasıyla %32,9 ve %47,6 oranında düştüğü fakat CFE'nin %37 oranında arttığı saptanmıştır. Ek olarak, eniyileştirilmiş biyo ilhamlı hibrit enerji sönümleyici profilin SEA'sı, içi boş aluminyum tüpe göre %21,3 oranında düşüş yaşarken, CFE'nin ise %43,3 oranında artış yaşadığı saptanmıştır.
Bal peteği dolgulu hibrit yapıların enerji sönümleme kapasitelerinin incelenmesi ve optimizasyonu
Enerji sönümleyici yapılar birçok sektörde kullanılan önemli bir yapısal elemandır. Otomotiv sektöründe enerji sönümleyici yapıların araç içerisinde bulunan sürücü ve yolcuların güvenliğini sağlamaktadır. Önden çarpışma durumlarında çarpışma kutuları ortaya çıkan enerjiyi sönümlemekle görevlidir. Çarpışma kutularının hafif ve yüksek mukavemete sahip olmaları beklenmektedir. Bu tez çalışmasında bal peteği dolgulu hibrit enerji sönümleyici yapıların çarpışma performansı nümerik olarak belirlenecektir. Deney tasarımında farklı geometrik ve yapısal seviyeler bulunduğu için Taguchi deney tasarımı kullanılmıştır. 36 Deney tasarımı sonucunda çok kriterli karar verme yöntemlerinden biri olan TOPSIS yöntemi kullanılarak en uygun tasarıma ulaşılması hedeflenmektedir. Analiz modellerinde kullanılacak malzeme kartları literatür doğrulaması ile hazırlanmıştır. Analiz modelinde çok fazla kontak ve eleman bulunması analiz çözüm sürecini oldukça uzatmaktaydı. Bu sorunun çözülebilmesi için ağırlık ölçeklendirme çalışması gerçekleştirilmiştir. %10 Ağırlık arttırması analiz süresini yarıya düşürmüştür. Uygun analiz modeli Python programlama dili kullanılarak geliştirilen TOPSIS kodu ile elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde en yüksek enerji sönümleme kapasitesine sahip modelin TOPSIS puanı en yüksek olmaktadır. En yüksek puana sahip model boş alüminyum tüpe göre %22 daha fazla enerji sönümleme kapasitesine sahip olmaktadır. En yüksek TOPSIS puanına sahip modeller incelendiğinde dış tüp malzemesinin karbon fiber destekli kompozit tüp olduğu gözlemlenmiştir. En düşük puana sahip modellerde ise dış tüp ve iç tüp kalınlığının 1 mm ve iç dolgunun dolu olduğu modeller olduğu gözlemlenmiştir. En düşük tepe ezilme değerine sahip modellerde dış tüp malzemesinin alüminyum olduğu, dış dolgunun dolu, dış tüp çapının 80 mm ve dış tüp kalınlığının 1 mm olduğu gözlemlenmiştir.
Sıvı yakıtlı roket motorlarında kullanılan körüklü mafsalın tasarımı ve eniyilemesi
Körüklü mafsallar hidrolik hatlarda, inşaatlarda ve nükleer istasyonlar gibi çeşitli alanlarda akıştan ve dış kuvvetlerden kaynaklanan enerjiyi sönümlemek, hatlara esneklik sağlamak ve bu sayede akış hatlarında çatlama, bozulma gibi hasarların önüne geçmek amacıyla sıklıkla kullanılan parçalardır. Eksenel, yanal ve açısal hareketlere imkân sağlayan körüklü mafsallar eksenel tipli, gimbal tipli, menteşe tipli vb türde kullanılmaktadır. Sıvı yakıtlı roket motorlarında itki vektör kontrolüne yardımcı olan körüklü mafsallar füzenin yapacağı yönelme hareketleri sırasında hidrolik hatların hasar görmesine engel olurlar. Roket motorlarında hatlara bu esnekliği sağlarken sıvı motor lülesini hareket ettiren lineer eyleyicilere karşı ilave kuvvet oluştururlar. Oluşan bu ilave kuvvet daha büyük eyleyicilere ihtiyaç duyulmasına dolayısıyla daha fazla ağırlığa ve hacim zarfına sebep olmaktadır. Literatürde basınç altında çalışan körüklü mafsalların yorulma ve basınca karşı dayanım çalışmaları sıkça çalışılan konulardandır. Hareket sırasında oluşan eğilme momenti ve hareket kaynaklı dayanım çalışmaları ise nadir olarak çalışılan ve incelenmesi zor konulardandır. Bu çalışmada iç basınç altında çalışan körüklerin tasarımı lüle hareketine olanak sağlayacak olan eyleyicilere aktarılacak kuvveti yani körüklü mafsalın bu hareketten kaynaklanan eğilme momentini minimize edecek şekilde yapılmıştır. Yapılan eniyileme çalışması sonucunda, tez konusu körüklü mafsal için gerilme kısıtları ihlal edilmeksizin (yani körüklü mafsalın yapısal bütünlüğü tehlikeye atılmaksızın) eğilme momentinin %75 gibi önemli bir oranda düşürülebildiği görülmüştür. Eniyileme çalışmalarının ardından elde edilen tasarım parametreleriyle hesaplanan analitik sonuçlar sonlu elemanlar yöntemleri ile karşılaştırılmıştır. Sonlu elemanlar yönteminde basınç ve hareket analizleri için ayrı yöntemler ve sınır koşulları kullanılmış modeller ayrı ayrı incelenmiştir.
Doğrudan mürekkeple katmanlı imalat yöntemi kullanılarak kompozit malzemelerin üretilmesi ve mekanik özelliklerinin deneysel olarak incelenmesi
daha sonra doldurulacaktır
Dijital ikiz çatıyapısı altında yapısal kirişlerin fizik bilgili sinir ağları ile dinamik modellenmesi
Dijital İkiz (DT)'ler birçok alanda olduğu gibi yapısal parçaların çalışma anında maruz kaldıkları yüklere göre durum takibini yapmak için de kullanılmaktadır. Fiziksel ürünün dijital kopyasının oluşturulması aşamasında ise Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) sıklıkla görev almaktadır. FEM uygulamalarında parça geometrisinin kompleksliği ve mesh detayları önemli olmakla beraber analiz sürelerini ve dolayısıyla DT oluşum süresini etkilemektedir. Doğruluğu yüksek ve gecikme süresi düşük bir dijital kopya oluşturulması aşamasında, birçok alanda kendisine yer bulan Yapay Zeka (AI)'dan faylanmak mümkündür. Bu çalışmada, yapısal kirişlerin DT'lerinin oluşturulması sırasında, içinde barındırdığı probleme ait Kısmi Diferansiyel Denklem (PDE)'lerden faydalanan, daha az veriyle yüksek doğruluklu modellemeler yapabilen Fizik Bilgili Sinir Ağları (PINN) yapısı ve bu yapının kullanıldığı bir DT çatıyasıpı önerilmektedir. Çalışmalar sırasında probleme ait analitik denklemler yardımıyla sentetik veriler üretilmiştir. Daha sonra üretilen veriler, PINN modeline beslenerek ileri problem çözülmüş ve ters problem çözümüyle de sistem parametreleri tahmin edilmiştir. Yüksek frekanslı öğrenmede spektral yanlılık (bias) fenomeni ile başa çıkmak için Neural Tangent Kernel (NTK) ile kendinden uyarlamalı ağırlık güncellemesi metodu uygulanmıştır. PINN tahminleri, geliştirilen yöntemin doğruluğunu kanıtlamak için Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) çıktıları ile karşılaştırılmıştır. Sentetik verilerle yapılan çalışmalar sonrasında, deney düzeneğinden toplanan gerçek veriler ile de bir çalışma yapılmış ve PINN'lerin doğrusal olmayan yüksek dereceli PDE'lerin
Yüksek kavrama oranına sahip düz dişli çiftlerinin uç-kökgirişim analizi ve yük taşıma kapasitesinin belirlenmesi
Yüksek kavrama oranına (YKO) sahip düz dişli çiftleri, yük taşıma kapasitesinin standart kavrama oranlı (SKO) dişlilere nazaran daha yüksek olmasına ihtiyaç duyulan durumlarda kullanılmaktadır. YKO dişlilerinin diş yapıları standart dişlilere oranla daha uzun ve incedir. Bu durum, çalışma esnasında dişliler arasında uç girişimi oluşma riskini artırmaktadır. Bu sebepten dolayı, diş üstü çapı katsayısı, diş dibi katsayısı, merkezler arası çalışma mesafesi ve basınç açısı gibi parametreler için kısıtlamalar tayin edilerek uygun değer aralıkları seçilmelidir. Tez çalışması kapsamında, SKO geometrisine sahip dişli çiftlerinin farklı senaryolar dahilinde YKO geometrisine çevrimi gerçekleştirilmiştir. Bu işlem için Matlab yazılımı ile bir kod geliştirilerek uç-kök girişimi ve diş üstü kalınlığı gibi geometrik kısıtlamalar uygulanmıştır. Geliştirilen kod, gerekli isterler girilerek SKO ve YKO dişli profilleri oluşturabilmekte, SKO'dan YKO'ya çevrim için tüm geometrik alternatifleri belirleyebilmekte ve yük taşıma açısından en uygun YKO dişli çiftini sunabilmektedir. Dişli profillerinin tasarım süreci boyunca AGMA-913-A98, AGMA-908-B89 ve AGMA-2001-D04 standartları referans olarak kullanılmıştır. SKO'dan YKO'ya çevrilen dişli geometrileri endüstride yaygın olarak kullanılan KissSoft yazılımı ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Ayrıca, SKO'dan YKO'ya çevrilen dişli çiftleri için diş dibi gerilim hesabı yapılarak, alternatifler arasından en fazla yük taşıyabilecek YKO dişli çifti belirlenmiştir. Bu sayede, SKO'dan YKO'ya çevrim yapılarak ne kadar yük avantajı sağlandığı görülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre, YKO dişli çiftleri SKO dişli çiftleri ile kıyaslandığında yaklaşık olarak %32'ye kadar daha fazla yük taşıma kapasitesi sağlayabilmektedir.
Titanyum alaşımına uygulanan bilyalı sertleştirme işlemi parametrelerinin sayısal yöntemler ile incelenmesi
Metal eklemeli imalat teknolojisi son yıllarda önemli bir gelişme göstermiş ve imalat sanayinde yeni bir devrim yaratmıştır. Bu teknoloji sayesinde, geleneksel yöntemlerle üretilmesi zor ve maliyetli olan parçaların üretimi kolaylaşmış ve aynı zamanda karmaşık geometriye sahip, topoloji optimizasyonundan dolayı açık gözenekleri bulunan parçaların üretimi mümkün hale gelmiştir. Bu avantajlar, özellikle havacılık ve biyomedikal endüstrilerinde, yüksek dayanımlı titanyum alaşımları gibi zorlu uygulamalarda büyük bir önem taşımaktadır. Elektron demeti ile ergitme (EDE) ve lazer demeti ile ergitme (LDE) gibi metal katkılı üretim teknolojileri, bu alanda en çok kullanılan ve hızla gelişen teknolojiler arasındadır. Ancak, eklemeli imalat teknolojisiyle üretilen parçalarının düşük yüzey kalitesi ve iç yapı kusurlarının daha fazla bulunması sebebiyle, yorulma ömrünün geleneksel yöntemlerle üretilen işparçalarına göre daha düşük olması önemli bir sorun teşkil etmektedir. Bu nedenle, eklemeli imalat yöntemleriyle üretilen Ti-6Al-4V gibi yüksek dayanımlı titanyum alaşımlarının yorulma özelliklerinin iyileştirilmesi için bilyalı sertleştirme işlemi uygulanmaktadır. Bilyalı sertleştirme işleminin etkin bir şekilde uygulanabilmesinde optimum işlem parametrelerinin belirlenmesi sonuçların öngörülebilirliği açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, farklı imalat yöntemleri ile üretilmiş titanyum metali ve Ti-6Al-4V alaşımına uygulanan bilyalı sertleştirme işlemi ile oluşan kalınlı gerilmeleri sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Tek bilya atışından oluşan bir sonlu elemanlar modeli oluşturularak, bilyalı sertleştirme işleminin bilya hızı, bilya çapı ve bilya atış açısı olmak üzere farklı parametreleri ile işparçasının kalıntı gerilmesi profili arasındaki ilişki analiz edilmiştir. Bu çalışma sonucunda, Ti-6Al-4V alaşımında titanyum malzemesi ile aynı kalıntı gerilmeleri elde etmek için daha düşük bilya hızı kullanmanın yeterli olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, EDE yöntemi ile üretilen Ti-6Al-4V alaşımının geleneksel yöntemler ile üretilen Ti-6Al-4V alaşımı ile bilyalı sertleştirme işlemi sonrasında normalize kalıntı gerilmesinde aynı artışı elde edebilmek için bilya çapınının 1 mm yerine 2 mm kullanılması gerektiği sonucuna varılmıştır. Ayrıca, Ti-6Al-4V alaşımı geleneksel yöntemler ile veya EDE yöntemi ile üretildiğinde, basma yönündeki maksimum kalıntı gerilmesini aynı oranda arttırmak için bilya hızını 50 m/s'den 125 m/s'ye, titanyum malzemesinde ise kalıntı gerilmesi üzerinde aynı artışı sağlamak için bilya hızını 50 m/s'den 75 m/s'ye çıkartmak gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu çalışmada, geleneksel üretim yöntemleri ile ve metal eklemeli imalat teknolojisiyle üretilen Ti-6Al-4V alaşımı ile titanyum malzemesinin yorulma ömrünü istenen ölçüde iyileştirebilecek bilyalı sertleştirme işlemi parametrelerinin belirlenmesini amaçlayan araştırmalar için temel oluşturmaktadır. Ek olarak, bu çalışmada sunulan bulgular, havacılık ve biyomedikal endüstrilerinde yüksek dayanımlı parçaların tasarımında ve üretiminde kullanılabilir. Ayrıca, temel parametrelerin ve hassas modelleme tekniklerinin uygulanması yoluyla tasarlanan bilyalı sertleştirme işleminin daha verimli bir şekilde uygulanmasına olanak sağlar ve verimliliğin arttırılmasını sağlar.
Cıvatalı flanş bağlantıları olan montajlı rotor modüllerindeçoklu vekil modeller kullanılarak yapısal bütünlüğündoğrulanması
Cıvatalı flanş bağlantı yapıları, uçak motorlarının montajında kritik bir rol oynar. Bu yapılar, motorun sabit ve hareketli parçalarını bir araya getirerek, motorun güvenli ve etkili bir şekilde çalışmasını sağlar. Tasarım sürecinin ilk aşamalarında, flanşların boyutları, cıvataların sayısı ve boyutları, ve bunların yerleşim düzeni gibi çeşitli tasarım parametreleri göz önünde bulundurulur. Bu parametrelerin seçimi, motorun yapısal bütünlüğünü sağlayacak şekilde yapılır. Yapısal bütünlüğü garantilemek ve en uygun tasarımı belirlemek amacıyla, sonlu elemanlar analizi kullanılarak kapsamlı simülasyonlar yapılır. Motorun çalışması sırasında, montajlı rotor grubu çeşitli ısıl ve mekanik yüklere maruz kalır. Bu yüklerin her biri, rotor grubunun yapısal bütünlüğünü etkileyebilir. Dolayısıyla, her bir yükleme durumunda rotor grubunun bu bütünlük kriterlerini karşıladığından emin olunması gerekir. Bu kriterler, gerilmeler, cıvataların ön yükleme kuvvetleri ve temas noktalarının durumu gibi ölçütleri içerir. Tasarım süreci, çok sayıda değişkenin göz önünde bulundurulması gerektiğinden, karmaşık ve zaman alıcı olabilir. Bu nedenle, tasarım sürecinin etkinliğini artırmak ve yeni tasarım yaklaşımları geliştirmek için çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Bu çalışmada, NASA'nın E3 Yüksek Basınçlı Türbin Test Donanımı için yapılan detay tasarım raporunda açıklanan gibi, cıvatalı flanş bağlantı tasarımının optimizasyonu için çoklu vekil modelleme yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem, tasarım sürecini hızlandırmanın yanı sıra, daha doğru ve etkili sonuçlar elde etmeyi amaçlar. Çalışma, E3 türbin modülü benzeri bir rotor grubu üzerinde yapılmış ve her bir flanş için ayrı sonlu elemanlar modelleri geliştirilmiştir. Tasarım parametreleri, vekil modeller için girdi olarak kullanılmış ve bu modeller, Latin Hiperküp Örnekleme (LHÖ) ve Genetik Birleştirme Yanıt Yüzeyi (GARS) metotları ile oluşturulmuştur. Optimizasyon için Çok Amaçlı Genetik Algoritma (MOGA) kullanılarak optimum tasarımlar elde edilmiştir. Elde edilen tasarımlar, rotor modülüne beslenmiş ve rotor modülünün bir bütün olarak sonlu elemanlar modeli kurulmuştur. Rotor modülünün flanş bölgeleri için elde edilen gerilme ve tepki kuvveti değerleri %0.1 mertebesinde bir fark ile, vekil modellerin optimizasyonundan alınan sonuçlar ile örtüşmektedir. Optimize edilen birinci flanş bölgesinde başlangıç durumuna göre kütle olarak %3.27 seviyesinde artış olsa da, başlangıç durumundaki flanş bölgesi konfigürasyonunda tork transferinin eksiksiz sağlanabilmesi için beşinci yükleme adımında istenen minimum flanş tepki kuvveti sağlanamamaktadır. Gerilmeler ise başlangıç durumuna göre birinci flanşta bulunan üç adet delikte sırasıyla %5.10, %3.03, ve %1.75 seviyelerinde iyileşmeler sağlanmıştır. İkinci flanş bölgesi için %2.97 seviyesinde kütle artışı ve ikinci flanşta ortada delik bölgesinde ise gerilmelerde %1.94 seviyesinde kötüleşme olmuştur. İkinci flanş bölgesinin başlangıç konfigürasyonu da benzer şekilde gereken flanş tepki kuvvetini verememektedir. Üçüncü flanş bölgesi için ise ilgili tasarım raporunda tanımlanan kriterler daha esnek olduğu için optimizasyon çalışmaları sonucunda kütlede %13.66 seviyesinde hafifleme, flanş deliklerinde gerilmelerde ise sırasıyla %15.60, %5.12, ve %4.89 seviyesinde iyileşmeler gözlemlenmiştir. Sonuçlar, montajlı rotor gruplarının flanşlı bağlantı tasarımlarında çoklu vekil modellerin kullanımı sayesinde doğruluk seviyesini kaybetmeden kısa sürelerde hassasiyet analizlerinin yapılabilmesinin ve yapısal bütünlük kriterlerini sağlayan optimum tasarımların elde edilmesinin mümkün olduğunu göstermektedir.
Kompozit kanat yapıları üzerinde tamir modellemesi ve sonlu elemanlar analizi
Karbon fiber takviyeli polimerler (CFRP), havacılık endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu malzemeler yüksek mukavemet/ağırlık oranı, yorulma direnci, hafiflik ve korozyon direnci gibi özelliklere sahiptirler. Ancak, bu kompozit yapıların önemli bir dezavantajı, düşük darbe tokluğundan kaynaklanan hasara duyarlı olmalarıdır. Bu tür bir hasar meydana geldiğinde, yapının tamir veya değiştirme gerektirebileceği bilinmektedir. Kompozit yapıların tamir tasarımları, mukavemet onarımını sağlayabilir ve aerodinamik açıdan düzgün yüzeyler oluşturarak hasarlı parçanın nispeten daha maliyet etkin bir şekilde onarılmasına olanak tanır. Bu nedenle, tabakaların oryantasyonu, kalınlığı, şekli, ekstra tabaka sayısı, tamir bölgesinin büyüklüğü gibi parametreler gereksinimlere uygun olarak seçilmelidir. Bu tez çalışması kapsamında, tam ölçekli bir kabuk yapısındaki kompozit kanat üzerinde tamir tasarımları modellenmiş ve gerçekçi yüklenme koşulları altında yapının yapısal bütünlüğü değerlendirilmiştir. Tamir modellemesi ve analizleri kompozit yapı üzerinde kabuk metodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kabuk metodunun doğrulanması amacıyla numune seviyesinde ASTM-3039D standartlarına uygun çekme testleri gerçekleştirilmiştir. Numune seviyesinde gerçekleştirilen testlerden elde edilen sonuçlar ve yapısal analiz sonuçlarını doğrulamıştır. Yapısal analizler, ABAQUS yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasının devamında, NACA kanat profillerine dayalı olarak geliştirilen ve belirlenen gereksinimlere uygun olarak tasarlanmış yeni bir kanat modelinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan kanat profili üzerinde 0°-5°-10°-15°-20°-25°-30° değerlerindeki hücum açıları düşünülerek HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. HAD analizlerinden en kritik hücum açısında elde edilen basınç değerleri, yapısal analizlerde kullanılmak üzere yük dağılımı fonksiyonu kullanılarak belirlenmiştir. Aerodinamik kuvvetlere ek olarak yer çekimi, mühimmat ağırlığı ve yakıt ağırlığı gibi kuvvetler, tam ölçekli kanat modeline sınır şartı olarak uygulanmıştır. Çeşitli tamir senaryoları belirlenmiş ve tam ölçekli kanat kabuk yapısındaki en kritik bölgede tamirlerin yapısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Belirlenen bölgede uygulanan tamir senaryoları Hashin metodunu kullanılarak gerinim değerleri ile kıyaslanmış ve tamir çalışmaları doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, yapıdaki hasarlı bölge sayısı, hasarlı tabaka sayısı, tamir bölgesine serimi uygulanan ekstra tabaka sayısı ve oryantasyonu, tamir tasarımının şekli gibi faktörlerin yapının yük taşıma kapasitesini ve yük yolunu etkilediğini göstermiştir. Gerçekleştirilen sayısal analiz çalışmaları, kabuk yöntemi ile tamir modellemesinin isabetli sonuçlar sağladığını göstermiştir ve olası hasar durumlarında izlenilmesi gereken yöntem hakkında önemli bilgiler sunmuştur.
Silindirik gövdeleri birleştirmede kullanılan cıvataların sayısının, boyutunun ve flanş geometrisinin eniyilemesi için tasarım aracı oluşturulması ve analizle doğrulaması
Bu tez, silindirik gövdelerin birleştirilmesinde kullanılan cıvataların sayısını, boyutunu ve flanş geometrisini optimize etmek için özel olarak tasarlanmış yeni bir tasarım aracının geliştirilmesini ve analitik doğrulamasını sunmaktadır. Cıvatalar, özellikle yük dağılımı, stres konsantrasyonu ve genel stabilite gibi faktörlerin çok önemli olduğu silindirik gövde montajlarında yapısal bütünlükte kritik bir rol oynamaktadır. Bununla birlikte, cıvataların optimum konfigürasyonu, malzeme özellikleri, geometrik kısıtlamalar ve mekanik gereksinimler dahil olmak üzere çeşitli faktörlerden etkilenen çok yönlü bir sorundur. Araştırma, cıvatalı bağlantı tasarımında kullanılan mevcut metodolojilerin ve araçların kapsamlı bir şekilde gözden geçirilmesi, eksiklerin ve sınırlamaların belirlenmesi ile başlamaktadır. Bu incelemeden elde edilen bilgilerden yararlanılarak, cıvata parametreleri ve yapısal performans arasındaki karmaşık etkileşimi dikkate alan bütünleşmiş bir tasarım aracının geliştirilmesi için sistematik bir yaklaşım önerilmektedir. Araç, farklı cıvata konfigürasyonlarını verimli bir şekilde simüle etmek ve değerlendirmek için gelişmiş hesaplama algoritmaları ve sonlu eleman analiz tekniklerini içermektedir. Tasarım aracının doğruluğunu ve güvenilirliğini sağlamak için titiz analitik doğrulama prosedürleri yürütülmektedir. Sonuçlar, aracın değişen koşullar altında cıvata davranışını tahmin etmedeki etkinliğini ve belirtilen performans kriterlerini karşılayan optimum tasarımlar üretme kabiliyetini göstermektedir. Ayrıca tez, geliştirilen aracın gerçek dünya mühendislik uygulamalarında kullanılmasının pratik sonuçlarını araştırmaktadır. Aracın çok yönlülüğünü ve farklı senaryolarda uygulanabilirliğini göstermek için çeşitli çalışmalar sunulmakta; tasarım sürecini kolaylaştırma, maliyetleri düşürme ve genel yapısal bütünlüğü geliştirme potansiyeli vurgulanmaktadır. Sonuç olarak, bu araştırma silindirik gövde montajlarında cıvata konfigürasyonunu optimize etmek için kapsamlı ve sağlam bir araç sunarak cıvatalı bağlantı tasarımının ilerlemesine katkıda bulunmaktadır. Geliştirilen araç, hesaplamalı modellemeyi analitik doğrulama ile entegre ederek, mühendislere cıvatalı bağlantılarla ilgili karmaşık zorlukları ele alırken optimum yapısal performans elde etmek için değerli bir kaynak sağlayacaktır.