FBE- Katı Cisimlerin Mekaniği Lisansüstü Programı
Bu topluluk için Kalıcı Uri
Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı altında bir lisansüstü programı olup, sadece yüksek lisans düzeyinde eğitim vermektedir.
Gözat
Yazar "Bulğan, Erdal" ile FBE- Katı Cisimlerin Mekaniği Lisansüstü Programı'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeMikro/nano-boyutlu Ankastre Kirişlerde Mekanik Rezonans Absorpsiyonu Yardımıyla Hareket Ve Enerji Transferi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014-02-18) Değirmenci, Ünal ; Bulğan, Erdal ; 10026013 ; Katı Cisimlerin Mekaniği ; Solid MechanicsÇok küçük ölçekli düzenek ve sistemlerin malzemeleri buharlaştırarak biriktirme yolu ile üretilebileceği fikrini ilk olarak 1959 yılında ünlü fizikçi Richard Feynman ileri sürmüştür [1]. Bu anlamda, Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS) küçük ölçekli elektro-mekanik düzeneklerin ve sistemlerin incelendiği bir bilim dalı olarak sonradan Feynman’ın öngördüğü vizyonu doğrular biçimde ortaya çıkmış ve gelişmiştir. Mikro ve nano sistemlerin bu kadar çok ilgi toplamalarının nedenleri arasında makro boyuttaki mekanik sistemlerin mikro ve nano boyutta küçültülerek üretilmesinde hacimsel kuvvetlerin (ağırlık/atalet) önemini yitirmelerinden ötürü mekanik bakımdan çok hızlı sistemlerin gerçekleştirilebilmesi, yüksek ivmeli hareketlerin mümkün olması, daha az yer kaplamaları, enerji tasarrufu sağlamaları, seri üretimlerinin mümkün olması gibi pek çok faydayı gösterebiliriz [2]. Belirtilen bu nedenlerden dolayı, nano ve mikro mekanik sistemlerin günümüzde mürekkepli yazıcılar, hava yastıkları, ışınımölçerler, basınçölçerler, mesafeölçerler, nano ve mikro filtreler, ve rezonatörler gibi pek çok alanda uygulamaları bulunmaktadır. Çok sayıda araştırma grubunun üzerinde çalıştığı önemli konulardan birisi de kavramsal ve uygulamalı mekanik titreşim ve rezonanstır, ve bu çabalar pek çok yeni mekanik ve elektronik cihaz üretimine yolaçmıştır. Bu alandaki çalışmalar, mikro ve nano ölçekteki Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler/Nano-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS/NEMS)’in mümkün olması ile makro boyuttaki titreşimlerden, bu minyatür boyutlu yapıların titreşimlerinin incelenmesine doğru kaymaya başlamıştır [3-16]. Makro-boyutlu yapıların mikro/nano-boyutlara küçültülerek üretilmesi, Literatür Özeti’nde de bahsedildiği üzere daha küçük ebatlarda ve birbirine daha yakın mesafelerde yapılar kullanılacağından, hareket ve enerji transferi esnasında gerçekleşecek kayıpların çok daha küçük olmasına ve dolayısıyla da MRA’nın minyatür ebatlarda kullanımının çok daha etkin ve işlevsel bir biçimde gerçekleştirilebilmesine olanak sağlayacaktır. Bu çalışma ile mikro/nano-boyutlu ankastre kirişlerde MRA kullanılarak çok düşük frekanslardan çok yüksek frekanslara kadar geniş bir bant aralığında rezone edilebilen mikro/nano-kirişler üzerinden temassız ve yüksek hızlı hareket ve mekanik enerji transferinin gerçekleştirilmesi çalışılmıştır. Bu tezde, mikro/nano-boyutlu iki ucu sabitlenmiş (ankastre, cantilever) kirişler üzerinde Mekanik Rezonans Absorpsiyon (Mechanical Resonance Absorption, MRA)’u kullanarak titreşim hareketi ve enerjisinin yüksek verimlerde temassız (non-contact) olarak transferi üzerinde durulmuştur. Aslında, MRA-temelli hareket ve enerji transferi makro-boyutlu yapılarda da hâlihazırda gerçekleştirilmekte olup, büyük ebat ve mesafeler kullanılmasından dolayı düşük etkinlikte performans gözlenmektedir, bu nedenle mühendislik uygulamalarında kullanımı çoğunlukla tercih edilmemektedir. Diğer yandan, MRA, mikro/nano-boyutlu yapılarda kullanılması halinde, hacimsel kuvvetlerin gözardı edilebilecek seviyelere düşmesinden dolayı yüksek hız ve yüksek tahrik ivmelerine dayanım, daha az yer kaplama, daha az enerji tüketimi, seri üretim halinde çok ucuz ve çok daha yüksek performanslarda hareket ve enerji transferi sağlayan cihazların gerçeklenmesine yolaçacaktır. Bu çalışmada, spesifik olarak nano-boyutlu ankastre bir kirişin rezonans frekansında zorlanmış salınımı (titreştirilmesi) ile ortaya çıkan hareket ve mekanik enerjinin yakınındaki eşdeğer bir başka ankastre kiriş tarafından Mekanik Rezonans Absorpsiyonu (Mechanical Resonance Absorption, MRA) ve bu sayede transferini sağlamak, mekanik absorpsiyon ile hareket ve enerjinin düzlem-içi (in-plane) ve düzlem-dışı (out-of-plane) doğrultularda iletim performansını gözlemleme ve ölçme suretiyle karakterize etmek, bu transferin maksimum seviyede gerçekleştirilebilmesi için gerekli optimum mesafe ve boyutları belirlemek, ve sözkonusu hareket ve enerji transferinin kontrolünü gerçekleştirebilmek için muhtemel müdahale biçimlerini belirlemek hedeflenmiştir. Tez kapsamında ankastre kirişlerin birbirlerine göre mesafeleri, ve boyutları dolayısıyla rezonans frekansları da değiştirilerek mesafe ve kiriş geometrilerinin performans üzerindeki etkileri çalışılmış ve optimum enerji transferi için en uygun kesit geometrileri ve kirişler arası mesafeler belirlenmiştir. Büyük oranda düzlem-içi hareket aktarımı çalışılması ile birlikte, düzlem-dışı aktarıma dair en temel anlamda enerji transferi de incelenmiştir. İlk olarak FEA tabanlı analiz programlarında simülasyon yoluyla kirişlerin doğal frekansları ve çalışma parametreleri belirlenmiştir. Farklı kiriş geometrisi ve konumlama mesafeleri için FEA analizleri tekrarlanarak bu parametrelerin hareket ve enerji transferi üzerindeki etkileri nümerik olarak tespit edilmiştir. Bu çalışma ile üzerinde herhangi bir tahrik elemanı yeralmadan tahrik edilmek istenen sistemler, fiziksel temas olmadan (non-contact), hava molekülleri üzerinden hareket ve enerji transferi sağlanarak tahrik edilebilecektir. Böylelikle sistemler üzerinde temaslı tahrikle ilgili problemler ortadan kaldırılmış, üretimlerinde ve karakterizasyon testlerinde büyük kolaylıklar sağlayacağı düşünülmektedir. Tezin birinci bölümünde, çalışmanın amacı, kapsamı ve çözüm aşamaları hakkında kısaca bilgiler verilerek, Literatür Çalışması başlığı altında tez konusu ile ilişkili olan Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS), mikro ve nano boyutta titreşim, yüzey akustik dalgalar (Surface Acoustic Wave, SAW), hareket ve enerji transferi ve Mekanik Rezonans Absorpsiyonu (Mechanical Resonance Absorption, MRA) konularına dair yapılan çalışmalara değinilmiştir. İkinci bölümde, ilk olarak Euler Bernoulli, Rayleigh ve Timoshenko Kiriş Teorileri’nin genel formları hakkında bilgi verilmiştir. Ardından tek ve çok serbestlik dereceli sistemler için titreşim eşitlikleri anlatılarak kirişlerde eğilme titreşiminin ve doğal frekans değerlerinin analitik hesaplanması için gerekli formülasyonların elde edilişi gösterilmiş ve farklı sınır şartları için, doğal frekans değerlerinin hesaplanmasında kullanılan βnL değerleri sıralanmıştır. Üçüncü bölümde, sonlu elemanlar yönteminden kısaca bahsedilerek sonlu elemanlar analizinde kullanılan eleman tipleri hakkında kısaca bilgi verilmesinden sonra akışkan-katı etkileşimi açıklanarak akustik dalga ifadesi sunulmuştur. Ardından MRA yardımı ile ankastre kirişler arasındaki hareket ve enerji transferinin sonlu elemanlarda simule edilmesi için yaygın bir sonlu elemanlar yazılımı olan ANSYS Inc., ABD programında havanın akustik özellik göstermesi için tanımlanan akustik eleman tipleri ve bu eleman tiplerine gerekli ortam özellikleri tanımlanması için kullanılan anahtar program kodları kısaca açıklanmıştır. Bu bölümde son olarak, oluşturulan hava ortamının, sonsuz bir ortam gibi davranması ve hedef kirişin oluşturduğu akustik dalgaları sönümleyerek geri-yansımasının engellenmesi için kullanılan absorpsiyon katmanı (Perfectly Matched Layers, PML)’nın sönümleme işlemi ve akustik elemanlarda özellik olarak tanımlanması anlatılmıştır. Dördüncü bölümde, ilk olarak kirişler arasındaki hareket ve enerji transferinin incelenmesinde kullanılacak kirişlerin kesit geometrilerinin gösterimi, birbirlerine göre konumlandırılmaları, uygulanan kuvvet ve kuvvetin uygulanma doğrultusu ile tahrik edilen ve enerjinin aktarıldığı kirişlerin gösterimi gibi çalışmanın ilgili kavramı açıklanmıştır. Ardından FEA yazılımında bu etkileşimin modellenmesi malzeme değerlerinin girilmesi, hava elemanına akustik eleman tipinin tanımlanması, kirişler ve hava arasındaki akışkan-katı etkileşiminin sağlanması için kullanılması gereken program kodları açıklanmıştır. Beşinci bölümde, enerji transfer oranları, viskoz sönüm oranlarının ihmal edildiği ve dahil edildiği durumlar olmak üzere farklı kiriş mesafeleri için sayısal olarak çalışılmış ve elde edilen sonuçlar iki kısımda sunulmuştur. İlk kısımda, enerji transfer oranları kare ve dikdötrtgen şekilli olmak üzere iki farklı kesit geometrisi üzerinde, düzlem-içi ve düzlem-dışı olmak üzere iki farklı yerleşim durumunda ve farklı geometrik boyutlar için farklı mesafe değerlerinde rezonans frekansı bölgesi etrafındaki bir bantta çalışılmıştır. İkinci kısımda ise ilk kısımda elde edilen bilgiler doğrultusunda sadece düzlem-içi yerleştirilmiş dikdörtgen kesitli kirişler arasındaki mesafeye bağlı enerji transfer oranları viskoz sönüm etkisi altında incelenmiş ve elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Tezin altıncı bölümünde ise yapılan çalışmalar sonucunda elde edilen veriler değerlendirilerek mesafe ve kiriş geometrilerinin performans üzerindeki etkileri ve optimum enerji transferi için en uygun kesit geometrileri ve kirişler arası mesafeler belirlenmiştir.