LEE-Makina Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Sustainable Development Goal "Goal 9: Industry, Innovation and Infrastructure" ile LEE-Makina Mühendisliği-Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeAktif ve pasif kontrol yöntemlerinin radyal kompresör performansı üzerindeki etkilerinin sayısal incelenmesi ve optimizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-05-14) Ak, Süleyman Emre ; Çadırcı, Sertaç ; 503152026 ; Makina MühendisliğiDoktora tezi kapsamında bir radyal kompresör geometrisi üzerinde aktif ve pasif akış kontrol yöntemleri HAD yöntemi ile incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Uygulanan akış kontrolü çalışmalarının radyal kompresörlerin performans, verim ve operasyon aralıkları üzerine olan etkileri farklı kompresör çalışma durumlarında modellenmiştir. Çalışmalarda UTRC'nin NASA kontratı ile geliştirdiği, ürettiği ve testlerini gerçekleştirdiği açık kaynaklı HECC geometrisi üzerinde çalışılmıştır. UTRC tarafından hazırlanan raporda HECC geometrisinin koordinatları kullanılarak geometri tekrar oluşturulmuştur. HECC geometrisi çark, yayıcı ve çıkış yönlendiricisi olmak üzere üç kanat sırasına sahiptir. Oluşturulan geometri üzerinde farklı çözüm ağı yoğunlukları, farklı zaman adımları ve farklı türbülans modelleri test edilerek deneysel çalışmalar ile modellemeler arasındaki farklar karşılaştırılmıştır. İdeal modelleme koşulları bulunduktan sonra kompresörün farklı çalışma şartlarında analizleri gerçekleştirilmiştir. Kompresör çalışma eğrilerinin çıkartılmasından sonra akış kontrolü çalışmalarında kullanılmak üzere kompresörün stola girdiği debi ve bir çalışma debisi belirlenmiştir. Kompresör üzerinde gerçekleştirilen akış kontrol çalışmaları üç ana başlıkta yapılmıştır. Bunlar akışkan bazlı aktif akış kontrolü, değişken açılı kanat çalışması ve kompresör davlumbaz iyileştirme çalışmalarıdır. Kompresör üzerinde gerçekleştirilecek olan aktif akış çalışmasına başlamadan önce kontrol edilmek istenen kompresör çalışma durumlarındaki akış yapıları incelenerek akışkan bazlı aktüatörlerin konumları belirlenmiştir. Bu bölümde yayıcı ve çıkış yönlendirici kanatları üzerinde belirlenen aktüatörlerin çapları, debileri, emme veya üfleme yapmaları parametrik olarak incelenmiştir. Emme akış kontrolü yönteminin kompresör üstünde hem stol durumunda hem çalışma durumunda faydalı olduğu görülmüştür. Değişken açılı kanat çalışması ana ve yardımcı yayıcı kanatları üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yayıcı kanatları merkez noktalarından artı ve eksi 5° arasında döndürülerek farklı kanat açılarının etkisi incelenmiştir. Yayıcı kanatları eksi dereceye çevirmek akış alanını daraltmakta, kanatları artı derecede çevirmek akış alanını genişletmektedir. Beklenildiği üzere kanatlar eksi derecedeyken kompresör daha düşük debilerde, artı derecedeyken daha yüksek debilerde çalışma performansı artış göstermektedir. Diğer yöntemler ile karşılaştırıldığında değişken açılı kanat kullanımı en iyi performansı ve verimi sağlamasa da kompresör operasyon aralığını en fazla artıran yöntem olmuştur. En son olarak davlumbaz üzerinde iyileştirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde ilk bir geri dönüş kanalı tasarımı gerçekleştirilmiş ve modellemesi yapılmıştır. Yapılan analiz çalışmalarında kompresörün stol durumundaki akış yapısının geri dönüş kanalına uygun olmadığı anlaşılmıştır. Bu yüzden bir başka davlumbaz iyileştirme yöntemi olan yiv eklentisi denemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalarda davlumbaz üzerinde oluşturulan yiv eklentilerinin yüksekliği, konumları, sayıları ve aralarındaki mesafe parametrik olarak değiştirilerek kompresör performansı üzerindeki etkileri karşılaştırılmıştır. Stol durumunda iyi performans gösteren yiv eklentileri kompresör daha yüksek debide çalışmaya başladığında avantajını kaybetmekte ve mevcut durumun daha altında kalan bir performans göstermektedir. En son bölümde denemeleri yapılan akış kontrol yöntemleri birbirleri ile karşılaştırılmış ve öneriler yapılmıştır.
-
ÖgeDizel motor modeli ile entegre bir aşırı doldurma ünitesi tasarım ve optimizasyon modeli geliştirilmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-07-13) Alpaya, Mert ; Kavurmacıoğlu, Levent Ali ; Camcı, Cengiz ; 503162012 ; Makina MühendisliğiOtomotiv sektöründe içten yanmalı motorların geleceği sorgulansa da mevcut batarya teknolojilerinin henüz istenilen olgunluk seviyesine ulaşamamasından dolayı; özellikle uzun mesafeler kat eden hafif ve ağır ticari araçlarda tam elektrikli güç aktarım çözümlerine geçiş kısa ve orta vadede çok olası gözükmemektedir. Bu sebeple içten yanmalı motorlarda geliştirme ve performans iyileştirme çalışmaları hala devam etmektedir. İçten yanmalı motorlarda performans iyileştirme amacıyla çalışılan en önemli bileşenlerden birisi de aşırı doldurma ünitesidir. Aşırı doldurma ünitesi ya da bir diğer deyişle turbo; temel olarak küçük boyutlu bir gaz türbini olup, içten yanmalı motorlarda silindirlere gönderilen yanma havasının yoğunluğunu arttırmak amacıyla kullanılmaktadır. Turbo temel olarak üç ana bileşenden oluşmaktadır. Bu bileşenler sırasıyla; santrifüj kompresör, yatak ve radyal türbindir. Bu bileşenlerden kompresör ve türbinin turbonun performansı üzerinde doğrudan etkisi bulunmaktadır. Bu sebeple bu bileşenlerin, turbonun ve bu turboya sahip motorun yüksek performans vermesi için etkin şekilde tasarlanması gerekmektedir. Hâlihazırda, tamamıyla turbo özelinde olmasa da ön tasarımdan final tasarıma kadar turbomakine tasarımı yapmayı sağlayan ticari yazılımlar bulunmaktadır. Bu yazılımlar kullanılarak, eğer tasarım isterleri biliniyorsa, sıfırdan bir turbo tasarımı yapılabilmektedir. Ancak bunun için; turbonun tasarım noktasında hangi dönüş hızına, debiye ve sıkıştırma oranına sahip olacağı gibi, sıfırdan bir turbo tasarımı yapacak kişinin başlangıçta bilmesinin mümkün olmadığı birtakım parametrelerin bu yazılımlara girdi olarak verilmesi gerekmektedir. Öte yandan içten yanmalı motor modelleme alanında ise hem ticari yazılımlar hem de motor üreticileri tarafından kendileri için özel olarak geliştirdikleri araçlar mevcuttur. Bu araçlar ile, eğer turboya ait kompresör ve türbin performans haritaları mevcutsa, bu haritalar üzerinden motor-turbo eşleştirmesi yapabilmektedir. Ancak, sıfırdan turbo tasarımı yapmak isteyen bir tasarımcının elinde söz konusu performans haritaları bulunmayacağından dolayı, bu yazılımlar ancak turbo tasarımı bittikten ve performans haritaları ortaya çıktıktan sonra kullanılabilmektedir. Hem motor modellemesi yapmaya yarayan hem de bu motor için en uygun turbo tasarımı ortaya koymaya imkân tanıyan bir araç ise bulunmamaktadır. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda ortaya çıkan aracın; bir dizel motorun modellemesini gerçekleştirmesi, bunu yaparken de içereceği turbo modülüyle birlikte motorun sahip olacağı turbonun aerodinamik tasarımını ortaya koyması sağlanmıştır. Turbo tasarımı yapılırken; turbonun tek başına en yüksek performansa sahip olması değil, turbo+motor sisteminin performansının mümkün olan en üst noktaya çıkarılması amaçlanmıştır. Tez kapsamında ortaya çıkan söz konusu bu turbo tasarım aracı, motora bütünleşik bir turbo boyutlandırma modeli içerdiğinden dolayı benzerlerinden farklıdır. Geliştirilen araç; motordan bağımsız turbo tasarımı yapmak yerine, tamamen motora özgü turbo tasarımı yapmaya yaramakta ve böylece motor performansını maksimum yapacak olan turbo tasarımını ortaya koymaktadır
-
ÖgeDynamic stability analysis and parametric investigation of nonlinear friction-induced vibrations on a mass-sliding belt experiment(Graduate School, 2023-10-20) Yavuz, Akif ; Şen, Osman Taha ; 503172026 ; Mechanical EngineeringPhysical mechanical systems exhibit different nonlinear behavior, which arise due to elastic, friction, kinematic, and clearance nonlinearities. Hence, the dynamic investigation of these systems with analytical approaches becomes either more complicated or impossible. Though, as opposed to linear systems, inherent nonlinearities in mechanical systems lead to several interesting dynamic responses, such as dynamic instability, limit cycle oscilations, bifurcations, etc. Hence, this dissertation aims to investigate the dynamic response behavior of a mechanical system, which is inspired by the problem known as brake squeal phenomenon. This problem is implemented on a simplified yet controlled mass-sliding belt experiment, which exhibits friction, clearance and kinematic nonlinearities. Brake squeal as a dynamic instability phenomenon is a major comfort problem observed in automotive disc brake systems. The brake squeal problem is studied through experimental, numerical, analytical and meta-model approaches. In this context, the dissertation is divided into three main parts in order to investigate the source mechanism of brake squeal and to predict the brake squeal noise generation. First study is aimed to investigate the effects of certain operational parameters on squeal initiation. The problem is investigated both experimentally and mathematically from the perspective of system stability. Hence, a mass-sliding belt experiment is designed and built, with a focus on three key operational parameters (preload, motor angular speed and angular configuration). Experiments are conducted at a wide range of these operational parameters, and the data is investigated in both time and frequency domains. The contact stiffness, which is a required parameter for the mathematical model, is determined with modal tests performed on the experiment. Corresponding data collected from the experiment is also used to obtain the characteristics of the friction coefficient at the mass and sliding belt contact interface. Next, a nonlinear mathematical model of the experiment is developed, though it is then linearized through certain assumptions for the investigation of the system stability. Data reveal local dynamic amplifications in time histories of certain operational parameters, which lead to the emergence of super-harmonics in frequency domain. The effects of key operational parameters on system stability are observed. It is concluded that there is a good correlation between the model predictions and experiments, and an extensive understanding about the effects of key operational parameters on system stability is obtained. Finally, stability analysis based on linearized model is validated with the experimental data, and the critical values of dynamic friction coefficient and motor angular speed are obtained. The main objective of second study is to investigate the effect of pad stiffness on the dynamic behavior of brake squeal problem. Hence, a two degree of freedom masssliding belt model is developed where the friction model at the mass and sliding belt interface derived through experiments. It is observed that the experimentally obtained friction model resambles Stribeck type friction model characteristics. This model consists of a mass (brake pad), which is attached to the common ground via four linear springs, and a sliding belt (brake disc) under the mass. Furthermore, two of the linear springs are attached to the mass with arbitrary angles. The nonlinear model is linearized again with some assumptions to check the system stability through complex eigenvalue analysis. The linear stability analysis reveals that the system exhibit mode coupling behavior as a physical mechanism that initiates the squeal noise. Furthermore, it is observed that the value of the critical pad stiffness (value of stiffness at which instability begins) decreases with the preload applied through the springs on the mass. On the contrary, the value of critical pad stiffness is found to be increased as the belt velocity increases. The results of the linear stability analyses are compared to the numerical solution of the nonlinear governing equations, and it is observed that the results of linear stability analyses are in accordance with the numerical solutions. Third study aims to investigate the predictability of a friction-induced nonlinear dynamic behavior on a simplified yet controlled laboratory experiment through the fuzzy logic approach. Experiments are carried out on the mass-sliding belt experiment to observe the effects of several operating parameters on the occurrence of nonlinear dynamic behavior. Experiments are performed at various levels of these operating parameter, and the data are collected. Then, fuzzy logic model architectures with different membership functions are built, where these operating parameters are assumed as the input parameters. The output of the fuzzy logic model architecture is defined as a new parameter, which is called as squeal index. Finally, a fuzzy logic model with a 96.97% prediction accuracy is obtained. Hence, it is shown that the proposed model can provide insight about the dynamic behavior of the system of interest without solving the nonlinear governing equations. Furthermore, the proposed model allows the prediction of the system state at operating conditions where experimentation is not possible, and it can be used for the determination of the critical operating parameters at which the system behavior switches from one state to another.
-
ÖgeHareketli yüklere maruz çatlaklı yapıların dinamik analizi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-09-23) Bulut, Cihat Oytun ; Kurt, Habiboğlu, Serpil ; 503112025 ; Makina MühendisliğiHasarlı olsun ya da olmasın, hareketli yük altındaki yapılar geleneksel araştırma alanlarındandır. Mühendislik yapılarına savunma, uçak-uzay sanayinde, köprüler ve krenlerde, demir yolu mühendisliği gibi çok çeşitli alanlarda rastlanmaktadır. Hareketli yük probleminin incelenmesi, mühendislik yapılarının servis ömürlerinin öngörülmesi ve yapıların stabilitelerinin belirlenmesine olanak sağlaması bakımından son derece önemlidir. Hareketli yük altındaki çatlaklı yapıların dinamik analizi birçok araştırmacı ve bilim insanı tarafından incelenmiştir. Bazı araştırmacılar yapının dinamik davranışının belirlenmesine odaklanırken bazıları ise yapının dinamik tepkisi üzerinden çatlakların tespiti konusunda çalışmışlardır. Bu çalışmada hareketli yük etkisi altındaki hasarlı yapıların dinamik davranışı incelenmiştir. Bu kapsamda, çatlak derinliği, çatlak lokasyonu gibi çatlakla ilgili özelliklerin yanı sıra hareketli yükün kütlesinin ve hızının da yapının düşey doğrultudaki yer değiştirmelerine etkileri detaylı olarak araştırılmıştır. Çalışmayı bölüm bazında incelemek gerekirse, 1. bölümde hareketli yük etkisi altındaki çatlaklı yapılar hakkında literatürdeki mevcut bilgiler taranmış olup bir özet şeklinde bu bilgiler sunulmuştur. Hareketli yüklere maruz çatlaklı yapılarla ilgili teorik, deneysel ve SEM ile yapılan çalışmalar incelenmiş, hareket denklemlerinin elde edildiği farklı yöntemler ele alınmıştır. Bölümün sonunda çalışmanın amacı belirtilmiş ve tez planı açıklanmıştır. Çalışmanın 2. bölümünde teorik model oluşturulmuş ve numerik örneklerle model detaylı olarak incelenmiştir. Çatlak çeşitlerinin sınıflandırılması yapılmıştır. Çalışma kapsamında enine ve açık çatlak içeren kirişler ele alınmıştır. Hareketi yöneten diferansiyel denklemin elde edilmesinde yararlanılan yardımcı fonksiyonlardan Dirac delta fonksiyonu ve dik fonksiyonlar anlatılmış, ortogonalite ve ortonormalite prensiplerinden bahsedilmiştir. Yapı dinamiğine ait temel kavramlar özetlenmiştir. Hareket denklemleri Duhamel integrali ile çözülmüştür. Bu nedenle bu bölümde Duhamel integrali teorik olarak açıklanmış, tek serbestlik dereceli bir sistemde Duhamel integrali sayısal olarak hesaplanmıştır. Hareket denklemlerinin direk sayısal integrallenmesi ve tek serbestlik dereceli sistemin lineer olmayan tepkisi de incelenmiştir. Newmark metodu detaylı olarak açıklanmıştır. Doğrudan integrasyon metotları ise özet şeklinde verilmiştir. Bu çalışmada SEM ile analizde Newmark doğrudan integrasyon metodu kullanılmış olup her koşulda stabil olan ortalama ivme metodu ele alınmıştır. Hareketli kütlenin çatlaklı kiriş üzerindeki hareketi esnasında oluşan zamana bağlı çökmeler farklı sınır şartlarını haiz kirişlerde incelenmiştir. Bu bağlamda çatlaklı konsol kiriş, çatlaklı basit mesnetli kiriş ve çatlaklı ankastre mesnetli kiriş araştırılmıştır. Öncelikle hareketi yöneten denklemler elde edilmiş ve Duhamel integrali ile hareket denklemleri çözülmüştür. MATLAB'da oluşturulan kodla numerik çözümler yapılmıştır. Hareket denklemleri çift çatlaklı konsol kiriş için elde edilmiş ve üç çatlaklı konsol kirişe uyarlanmıştır. Farklı çatlak derinliği ve çatlak lokasyonlarına sahip muhtelif çatlak senaryoları numerik olarak incelenmiş ve kirişteki çökme-zaman grafikleri çizdirilmiştir. Çatlaklı basit mesnetli ve çatlaklı ankastre mesnetli kirişler için farklı çatlak konfigürasyonlarında detaylı bir inceleme yapılmıştır. Analizlerde iki farklı hareketli kütle ve üç değişik hız ele alınmıştır. Bölümün sonunda deneysel çalışmadan elde edilen verilerle numerik çalışmaya ait veriler karşılaştırılmış, toplam ortalama hata yüzdesi hesaplanmıştır. Deney verileri ile numerik çalışma sonuçlarının yakınsadığı tespit edilmiştir. Hasarlı konsol kiriş, hasarlı basit mesnetli kiriş ve hasarlı ankastre mesnetli kiriş için elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Sonlu elemanlar metodu ile dinamik analizin gerçekleştirildiği 3. bölümde yararlanılan analiz metodu açıklanmıştır. ANSYS programı kullanılarak çift çatlaklı konsol kiriş, çift çatlaklı basit mesnetli kiriş ve çift çatlaklı ankastre mesnetli kirişlerin modal analizi gerçekleştirilmiştir. Çatlaklı yapıların birinci, ikinci ve üçüncü mod şekilleri elde edilmiştir. Çatlaklı kirişlerin frekansları belirlenip çatlaksız durumlarla kıyaslanmış ve frekans oranları hesaplanmıştır. ANSYS'te yapısal dinamik analizin adımları detaylı olarak anlatılmıştır. Bölüm sonunda SEM ile elde edilen sonuçlarla deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Veriler çizelge olarak paylaşılmış, modelin gerçeğe çok yakın olduğu görülmüştür. Ayrıca numerik, SEM ve deneysel çalışma ile elde edilen çökme verileri karşılaştırmalı grafikler şeklinde verilmiştir. 4. bölümde deneysel çalışma detaylı olarak açıklanmıştır. İTÜ Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği'ne ait Güç, Hareket ve Proses Kontrol (Rockwell Automation) Laboratuvarında deneyler icra edilmiştir. Deneylerde kullanılan kirişlerdeki çatlaklar CNC makinasında oluşturulmuştur. Kütleye hareket A/C elektrik motoru ile verilmiştir. Sürücü üzerindeki düğme ile hız ayarı yapılabilmektedir. Kütle ile motor arasındaki bağlantı ip ile sağlanmıştır. Hareket esnasında motorun sabit ve ipin gergin kalmasına azami dikkat edilmiştir. Kütlenin çatlaklı kirişin bir ucundan diğer ucuna hareketi esnasında kiriş altına yerleştirilen lazer sensörleri aracılığıyla elde edilen deplasmanlar kontrolör üzerinden bilgisayara aktarılmaktadır. Lazer sensörler düşey konumda destek ile sabitlenmiştir. Verilerin elde edilmesinde RSLogix5000 programı kullanılmıştır. Veriler belirlenen örnekleme zamanları ile düşey yer değiştirme (cm) zaman (s) şeklinde .xls formatında elde edilmiştir. Deneylerde kullanılan kirişler lama profilde olup malzeme olarak yapı çeliği seçilmiştir. Çatlak konfigürasyonları numerik ve SEM'de kullanılan senaryolarla aynıdır. Deneyler çift çatlaklı konsol kiriş, çift çatlaklı basit mesnetli kiriş ve çift çatlaklı ankastre mesnetli kirişler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçların numerik ve SEM çalışmaları ile elde edilen sonuçlarla örtüştüğü gözlemlenmiştir. Tezin son bölümü olan 5. bölüm, yapılan çalışmaların özeti ve elde edilen verilerin yorumlanması niteliğindedir. Hareketli yüklere maruz çatlaklı yapıların dinamik davranışına çatlak derinliğinin, çatlak pozisyonunun, hareketli yükün kütlesinin ve hızının etkileri tartışılmıştır. Son olarak, yapılan çalışmaların değerlendirilmesi ile birlikte gelecek çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur.
-
ÖgeImproving mechanical properties of additive manufacturing products using novel infill and slicing methods(Graduate School, 2023-08-22) Armanfar, Arash ; Günpınar, Erkan ; 503182002 ; Mechanical EngineeringIn recent years, additive manufacturing (AM) has drawn significant attention and interest from both academia and industry due to its remarkable advantages. However, one critical challenge in AM is tunability of mechanical properties for AM parts. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel infill and slicing methods. G-Lattices. Lattice structures embedding in a solid model play a crucial role in additive manufacturing (AM) for reducing manufacturing cost/time and improving (mechanical, acoustic and etc.) properties of the printed parts. Manually generated lattice structures consist of multiple struts, and their structural properties differ according to the strut shapes and topology. However, there are limited type/numbers of strut-based lattice structures, and therefore, this paper introduces novel lattice structures that are called G-Lattices and a method for generative synthesis of G-Lattices. Given AM, user, and geometrical constraints, G-Lattices can automatically be generated via a particle tracing algorithm, which places/moves particles in a lattice unit cell. Sweeping a sphere along the particle trajectories forms G-Lattices. Two alternative tracing methods are proposed in this work; one using straight and the other via curved struts. Numerous G-Lattices can be created using these techniques in a short time. Users can adjust G-Lattice density in a unit cell, strut thickness, strut shapes (i.e., straight or curvy), and angle between struts in order to control the physical/mechanical properties of G-Lattices (to some extent). As proof of concept, several G-Lattices are manufactured through an AM machine. Additionally, the proposed G-Lattice synthesis method is customized for the models under vertical loading. The G-Lattices obtained in this way are validated through finite element method experiments and have greater strength over volume ratios compared to conventional lattice structures. An extension of G-Lattices (i.e., reinforced G-Lattices) demonstrating better mechanical performance under inclined (compression) loading conditions are also introduced. For different inclined loads, separate reinforced G-Lattices are first optimized, and a G-Lattice library is formed. For a part under loading, displacement vectors in each unit cell (cubic domains within the inner region of the part) are then extracted. Based on these vectors, (pre-optimized) reinforced G-Lattices are selected from the G-Lattice library and utilized (as infills) in the unit cells. This process is called G-Puzzling. As a proof of concept, parts under three different inclined loading conditions are infilled using reinforced G-Lattices and investigated based on stiffness-over-volume ratios. According to these experiments, the resulting parts, onIn recent years, additive manufacturing (AM) has drawn significant attention and interest from both academia and industry due to its remarkable advantages. However, one critical challenge in AM is tunability of mechanical properties for AM parts. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel infill and slicing methods. G-Lattices. Lattice structures embedding in a solid model play a crucial role in additive manufacturing (AM) for reducing manufacturing cost/time and improving (mechanical, acoustic and etc.) properties of the printed parts. Manually generated lattice structures consist of multiple struts, and their structural properties differ according to the strut shapes and topology. However, there are limited type/numbers of strut-based lattice structures, and therefore, this paper introduces novel lattice structures that are called G-Lattices and a method for generative synthesis of G-Lattices. Given AM, user, and geometrical constraints, G-Lattices can automatically be generated via a particle tracing algorithm, which places/moves particles in a lattice unit cell. Sweeping a sphere along the particle trajectories forms G-Lattices. Two alternative tracing methods are proposed in this work; one using straight and the other via curved struts. Numerous G-Lattices can be created using these techniques in a short time. Users can adjust G-Lattice density in a unit cell, strut thickness, strut shapes (i.e., straight or curvy), and angle between struts in order to control the physical/mechanical properties of G-Lattices (to some extent). As proof of concept, several G-Lattices are manufactured through an AM machine. Additionally, the proposed G-Lattice synthesis method is customized for the models under vertical loading. The G-Lattices obtained in this way are validated through finite element method experiments and have greater strength over volume ratios compared to conventional lattice structures. An extension of G-Lattices (i.e., reinforced G-Lattices) demonstrating better mechanical performance under inclined (compression) loading conditions are also introduced. For different inclined loads, separate reinforced G-Lattices are first optimized, and a G-Lattice library is formed. For a part under loading, displacement vectors in each unit cell (cubic domains within the inner region of the part) are then extracted. Based on these vectors, (pre-optimized) reinforced G-Lattices are selected from the G-Lattice library and utilized (as infills) in the unit cells. This process is called G-Puzzling. As a proof of concept, parts under three different inclined loading conditions are infilled using reinforced G-Lattices and investigated based on stiffness-over-volume ratios. According to these experiments, the resulting parts, on average, exhibit more than %30 better mechanical performance compared to FBCCZ (a conventional lattice structure). A machine learning procedure is further proposed in this work to predict the mechan- ical properties of G-Lattices under specific loading conditions. 20000 G-Lattices are first generated using a uniform sampling approach. Strength-over-weight ratios for the G-Lattices are obtained using finite element analysis. Furthermore, voxelized data of G-Lattices are exploited as feature vectors in the machine learning step. A linear regression model is then computed using these G-Lattices. However, the model is inaccurate, particularly for the G-Lattices with ratios greater than five. Therefore, 14000 more G-Lattices are further sampled to increase the number of G-Lattices in this range. For each of the two clusters (G-Lattices with ratios greater/equal to or less than five), a separate linear regression models are calculated. According to the experimental results, approximately 70% of G-Lattices have errors less than/equal to 5% prediction errors, and the mean absolute (relative) percentage error for 40000 G-Lattices is 6.4% Parametrized helical printing. AM commonly utilizes slicing techniques to create layers of a model, in which material is deposited layer by layer. However, the slicing method directly affects the mechanical properties of the printed parts. This paper introduces a new AM technique (named Helical5AM), which employs print paths having helical geometry for five-axis AM. Given an object to be printed, a base (supporting helical print paths) with a center curve and helix parameters (such as lead angle and turn direction), a complete volumetric coverage using helical print paths is obtained. Collision-free tool orientation is then generated using a probabilistic roadmap algorithm for depositing material along the helical print paths by avoiding tool interference with obstacles. As a proof of concept, print paths (of models) with orientation information obtained using the proposed algorithms are simulated using a five-axis AM simulation software, and the material deposition process in Helical5AM is demonstrated using a five-axis AM machine. Furthermore, compression tests are performed on the printed parts for evaluating the effects of helix lead angles of the helical print paths on the mechanical properties of the printed parts. It has been confirmed that the mechanical behavior of a printed part is predictable and tunable according to the helix lead angles of the print paths. Helical5AM can potentially empower engineers to obtain AM parts with desirable mechanical properties. Optimization of helix lead angles of helical print-paths for a part under a certain loading conditions is also investigated. The part is first decomposed into layers, which are covered by helical print paths. The layers are meshed conformally using hexahedral elements. According to lead helix angles, material orientations are given to these elements. Finite element analysis (FEA) is then carried out for investigating the mechanical properties of the part. An optimization approach is coupled with FEA to optimize lead helix angles for the helical print paths. The effectiveness of the proposed approach is verified via multiple experiments with various loading conditions. The results indicate that the optimized parts demonstrate better mechanical properties.
-
ÖgeInvestigation of acoustic and dynamic properties of weatherstrips used in vehicle doors(Graduate School, 2022-10-13) Saf, Orçun ; Erol, Haluk ; 503102007 ; Mechanical EngineeringToday, a rapid transformation is taking place in the automotive industry. Users' expectations of vehicles are changing and diversifying. Increasing expectations for acoustic performance and redefining sealing elements to meet these expectations are among these changes. Acoustic harmony inside the vehicle, provided with a balance between the drivetrain, road and wind noise is no longer valid. Preventing wind noise, which is no longer adequately masked, has become very important for vehicle acoustics studies. Another factor that causes wind noise to become dominant is that the average cruising speed of vehicles is increasing day by day. With the increase in mobility and new technologies, cruise speed is increased, which makes wind noise important to be reduced. As a result of new technological innovations, changes have occurred in the vehicle architecture, and different aerodynamic noise sources have been reduced with applications such as mirrorless vehicles. It has become more important to prevent the transmission of wind noise into the interior cabin. Door closure and glass run channel systems are two important paths for noise transmission into the cabin. Considering the changes that have taken place in the last ten years, door closure systems need to be improved in terms of their acoustic performance. Another significant trend is electrification in the automotive industry. Within the scope of both electrification and sustainability studies, the weights of vehicles and sub-systems such as doors, hoods and trunks are gradually decreasing. This situation caused the increase of tolerance for mounting the subsystems to the body, and the vibration amplitudes are increased. In order to investigate and improve the acoustic performance of the sealing systems, it is necessary to reveal both the polymer material properties of these structures and the shape properties with unique geometries, and the dynamic properties related to those need to be analysed. The materials used in sealing systems are polymers with high elasticity, having low elastic modulus and high yield strains. With these properties, they are generally expressed as elastomers. Elastomer materials show nonlinear stress-strain behaviour. In addition to these features, they are viscoelastic materials and may have very high damping values. Since these materials are mainly produced by the extrusion method in sealing systems, they have non-isotropic properties. Their structures mainly depend on polymer compounding recipes for each product and their mechanical properties vary significantly according to process conditions. All these properties specific to elastomers are critical features for investigation of acoustic performance studies. This thesis investigated acoustic properties of sealing systems and the specific properties of polymer materials used in these systems. Analytical methods, numerical calculation methods and experimental methods are utilized to carry out these studies. Acoustic performance properties determined depending on both the material structure and the geometric structure have been investigated in detail. The first phase studies aim to develop a numerical modelling method that can be used in both academic and industrial fields for sealing system investigations. For this purpose, two different finite element models of the sealing system were developed. In the first model developed, the deformation after door closing was obtained using the materials' non-linear hyperelastic properties. Then, a dynamic material model was created to calculate modal properties and acoustic performance using deformed geometry. The noise source, transmission path, air cavity and elastomer material properties are included in this model by considering the theoretical principles. An acoustic measurement setup has been developed to be used in the validation studies of this model. With this setup, the sound transmission loss values of a sealing profile were measured by representing different door gaps on the closure of vehicles. After the validation of the finite element model, parametric studies were carried out and the factors affecting the acoustic performance were examined. The modal behaviour of the partitions forming the geometry of the sealing elements was investigated. The relationship between dynamic vibration behaviour and acoustic properties was revealed. While carrying out these studies, the original structure of elastomer materials was considered, and hyperelastic and viscoelastic material measurements were made. An intermediate material validation step is described using impedance tube measurements for viscoelastic properties, increasing the study's novelty. In the second stage of studies, the viscoelastic properties of elastomer materials and the effect of these properties on sound transmission were investigated. The properties of porous and non-porous materials used in sealing elements were measured by the dynamic mechanical analysis method and results are explained. A characterization method has been developed by utilizing the relationship between sound transmission properties and their dynamic behaviour. In this characterization method, the elasticity and damping properties of the material, which vary according to the frequency spectrum are obtained using impedance tube measurements. The theoretical models for one-dimensional and two-dimensional sound transmission are explained, then the vibration equations of circular plates are presented. The surface integral was calculated with the analytical expressions obtained in closed form, the mechanical impedance was obtained depending on the frequency by using the plane wave approach, which is valid for the impedance tube, and the properties of the materials were determined by the reverse calculation method. As a result of the studies carried out in the second stage, it was determined that the influential factor in sound transmission in the sealing system is the resonance characteristics of the material walls. It has been determined that the dynamic behaviour in non-porous materials complies with the results of the circular plate theory. On the other hand, it was observed that the higher modes in porous materials are located between the modes of plate and membrane theory. These observations are included in the method by expressing them in terms of empirical coefficients of the calculations. A step-by-step calculation method is described for practical use as a test method for elastomers. The material test results were compared and the developed method was validated accordingly. This method, which is valid for the audible frequency range, is expected to be an alternative to the expensive and complicated material testing methods in acoustic studies. In the studies carried out in the third phase, the acoustic optimization of the sealing systems was performed. Both material properties and shape properties were examined, and the statistical design of experiment method was utilized. In this study, outputs obtained by numerical calculations are used as response data. Firstly, experimental validation of the numerical calculation methods is shown. Afterward, the effects of material properties on acoustic performance were investigated with both the full factorial design and the Taguchi experimental design method. Within the scope of this study, all dimensional variables that define the shape properties of a sealing element are expressed by parametric entities, then the effect of each parameter is analysed by the design of experiments method. In the studies, a robust optimization method is also considered by including both controllable variables (material and geometry) and uncontrollable variables (noise spectrum and door gap tolerance). As a result of the optimization, the parametric values in which respond best parameters are determined.
-
ÖgeJet motorlarında kullanılan yakıt enjektörlerinin çok fazlı akış karakteristiklerinin incelenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-10-26) Bal, Mustafa ; Böke, Yakup Erhan ; Ertunç, Özgür ; 503152022 ; Makina MühendisliğiBu tez çalışmasında jet motorlarında kullanılan basınçlı girdap tipi enjektörlerin çok fazlı iç akış ve sprey oluşumundan önceki dış akış karakteristikleri sayısal modelleme ve analiz yöntemi ile incelenmiştir. İlk aşamada literatürde yer alan sayısal analiz ve modelleme çalışmaları incelenmiştir. Literatür taraması sonucunda Euler fazında gerçekleştirilen iki ve üç boyutlu sayısal modelleme çalışmaları listelenmiştir. Özellikle enjektör iç bölgesi ve sıvı atomizasyonu gerçekleşene kadar olan akış alanlarının kapsamlı bir şekilde çalışılmadığı görülmüştür. Ayrıca, sayısal modelleme metotlarının farklı geometriler ve türbülans modelleri özelinde deneysel veriler de kullanılarak derinlemesine incelenmediği tespit edilmiştir. Bu çalışmada iki fazda anlatılmakta olan iki ve üç boyutlu HAD modelleme metotları deneysel veriler ve birbirleri arasında karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Analizler için ticari bir kod olan Ansys Fluent kullanılmıştır. 2. bölümde iki boyutlu eksenel simetrik HAD analiz metodu ile altı farklı geometri incelenmiştir. Bu kısımda iki denklemli türbülans modelleri, Reynolds gerilme modelleri, laminer ve hibrit RANS-LES modelleme metotları eksenel simetrik yapıda incelenmiştir. Türbülans modellerinin sprey oluşumu öncesi enjektör akış karakteristiklerinin doğru tahmininde ne kadar etkin olduğunu ölçebilmek için modelleme sonucu elde edilen CD ve toplam sprey açısı değerleri deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, iki denklemli türbülans modelleri ile geometri değiştikçe tahminlerin kayda değer seviyede kötüleştiği tespit edilmiştir. Bunun büyük ölçüde yüksek hesaplanan türbülans viskozitesi ile teğetsel hız profilinin doğru hesaplanamamasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Diğer taraftan, RSM-SSG modeli ile incelenen ilk 5 geometride beklenen akış davranışı elde edilmişken 6. geometride akış fiziği deneysel sonuçlarla uyumlu bir şekilde elde edilememiştir. RSM-BSL ve IDDES modelleri ile RSM-SSG modeline kıyasla daha iyi sonuçlar elde edilmiş olup tüm geometriler için akış fiziğine uygun sonuçlar yansıtmışlardır. Ancak sprey açısı değerleri deneylere kıyasla daha yüksek tahmin edilmiştir. Hesaplanan CD değerlerine bakıldığında ise tüm geometriler için ortalama olarak en düşük hata payının IDDES modeli ile elde edildiği tespit edilmiştir. Dolayısıyla basınçlı girdap tipi enjektörler için gerçekleştirilebilecek parametrik tasarım çalışmaları ve/veya enjektör geometrisinin CD ve sprey açısı tayininde incelenen modeller dahilinde türbülans modeli olarak IDDES'in kullanımının daha uygun olduğuna kanaat getirilmiştir. 3. bölümde IDDES türbülans modeli kullanılarak iki ve üç boyutlu modelleme farkları ve etkileri incelenmiştir. Metot karşılaştırmasını etkin yapabilmek için tasarlanıp üretilen bir şeffaf enjektörün su kullanılarak elde edilen farklı debilerdeki ölçüm sonuçları kullanılmıştır. Doğrulama parametreleri olarak CD, toplam sprey açısı ve film kalınlığı kullanılmıştır. İki boyutlu modelleme dahilinde yapılan analizlerde tüm debiler için akış alanının deneylerde hızlı kamera ile alınan resimler ile örtüştüğü görülmüştür. Ayrıca, enjektör girdap odasında oluşan teğetsel hız davranışının beklenilen Rankine girdabı yapısına uygun olduğu tespit edilmiştir. Bununla beraber, CD değerlerinde deneysel sonuçlardan önemli seviyede sapmalar tespit edilmiştir. Sprey açısı ve film kalınlığı değerleri de çoğunlukla deneysel verilerden farklı hesaplanmıştır. Diğer taraftan, üç boyutlu modelleme ile tüm debilerde CD, sprey açısı ve film kalınlığı tahminleri deneysel değerlere yakın elde edilmiştir. Özellikle 80 g/s ve 98 g/s debi değerlerinde hesaplanan CD ve film kalınlığı parametreleri deneysel ölçüm hata payları dahilindedir. 4. bölümde iki ve üç boyutlu modellemenin doğrulama parametrelerinin tahminine yönelik etkileri incelenmiştir. İki boyutlu modellemenin üç boyutlu modellemeden temel farkı giriş kanallarının dahil edilmesi olduğundan iki metot için girdap odası girişindeki zaman ortalamalı radyal ve teğetsel hız değerleri karşılaştırılmıştır. Üç boyutlu modellemede giriş bölgesinin dahil edilmesiyle kanallarda oluşan akış ayrılması etkisi ile etkin akış alanının daralıp akışın hızlandığı tespit edilmiştir. Bu etki iki boyutlu modellemeye yansıtılıp analizler tekrarlandığında CD, sprey açısı ve film kalınlığı değerlerinde önemli seviyede iyileşmeler görülmüştür. Ancak yine de debinin artışı ile beraber film kalınlığındaki azalma eğilimi güncellenen iki boyutlu modelleme ile doğru tahmin edilememiştir. İki ve üç boyutlu modellemelerin karşılaştırılmasında bir diğer parametre olarak hesaplama maliyeti değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda hesaplama maliyeti üç boyutlu modelleme ile iki boyutlu modellemeye kıyasla yaklaşık 1000 kat daha yüksek hesaplanmıştır. Bu durum yüksek doğruluk ihtiyacının karşılanması için bilgisayar kümelerinin kullanılması gerekliliğini ortaya koymuştur. Mevcut kişisel iş istasyonları ile dahi tek bir vakanın üç boyutlu analiz çözüm süresinin haftaları bulabileceği belirtilmiştir. Diğer taraftan, kaynaklar kısıtlı ise akış alanının genel görünümü ve performans parametrelerinin kabaca tahmin edilmesi için iki boyutlu modellemenin kullanılabileceği belirtilmiştir. Ek olarak, giriş kanallarındaki akış ayrılması etkisi biliniyorsa sınır şartlarında yapılacak düzeltme ile çok daha doğru sonuçlar alınabileceği gösterilmiştir. Sonuç olarak, iki fazda gerçekleştirilen enjektör iç ve dış akış HAD modellemesi metotları literatür geometrileri ve yeni tasarlanıp üretilen şeffaf bir enjektör dahilinde gerçekleştirilmiştir. CD, sprey açısı ve film kalınlığı gibi performans parametrelerinin tahmin edilmesinde türbülans modellemesi, iki ve üç boyutlu modelleme etkileri deneysel verilerle karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Hatalı tahminlerin kök nedenleri ve iyileştirme için yapılabilecek model güncellemeleri aktarılmıştır. Ayrıca, bu tez çalışmasında uygulanan modelleme metodu ile özellikle üç boyutlu analizler ile yüksek doğruluk elde edilebileceği gösterilmiştir.
-
ÖgeLarge deflections of non-linear bi-modulus functionally graded beams under different boundary and loading conditions(Graduate School, 2023-07-11) Hacıoğlu, Ayhan ; Baykara, Cemal ; 503172027 ; Mechanical EngineeringThe use of functionally graded materials (FGMs) is increasing thanks to recent development in manufacturing technologies. FGMs are considered a members of composites families in which material properties vary depending on a specific function through a desired direction. The variation of the material property could be one-dimensional (1D), two-dimensional (2D), or three-dimensional (3D). However, this study examines axial, transverse, and bi-directional material compositions. Moreover, the large deflection of beams made of non-linearly elastic, generalized (or modified) Ludwick type of materials and FGMs have received considerable critical attention in recent years. Generalized Ludwick's constitutive law, an empirical equation derived from Hooke's law, defines the constitutive relation of non-linearly elastic materials. In addition, bi-modulus materials are the materials that respond differently in tension and compression due to having different Young's moduli in tension and compression. Large deflections of generalized Ludwick type non-linearly elastic, bi-modulus, functionally graded, non-prismatic, Euler-Bernoulli cantilever beams subjected to a concentrated force at the free end are examined numerically in this study.
-
ÖgePiezoelektrik ile tetiklenen valfsiz mikro pompa tasarımı, üretimi ve akışkan debisini etkileyen faktörlerin belirlenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-10) Şimşek, Sevda ; Şimşek, Sevda ; 503162031 ; Makina MühendisliğiTez kapsamında, mikro akışkanlar için yapılan çalışmaları destekleyici ve yol gösterici olması adına, kontrol edilebilir sıvı akış hızları sağlayan en önemli mikro akışkan cihazları arasında gösterilen, mikro düzey pompa üzerinde çalışılmıştır. Öncelikle mikro düzey pompalar için genel bir literatür araştırması yapılmıştır. Literatür incelemelerinde mikro ölçülere sahip alanlarda yapılan çalışmaların çoğunlukla sayısal simülasyonlar oldukları görülmektedir. Deney düzeneklerinin kurulumlarının oldukça yüksek maliyetlere sebep olmasının yanı sıra deney düzeneği hazırlamak, mikro ölçekte zorlayıcıdır. Mikro ölçekteki yapıların incelenmesi için teknolojik olarak üst düzey deney düzeneklerini içeren laboratuar alanları gerekmektedir. Bu tezde mikro pompada akışkanı tetikleyecek çalıştırma mekanizması olarak piezoelektrik disk ele alınmıştır. Piezoelektrik kullanım alanlarından olan elektrik enerjisi-mekanik enerji dönüşümlerinde kullanılan mikropompa tasarımı, tasarlanan mikro pompanın üretimi ve üretilen mikro pompa ile akışkan debisi temel çıktı olarak düşünülerek deneyler yapılmış ve bu debiyi etkileyen faktörler incelenmiştir. Bu bilgiler ışığında tez içeriği üç temel başlıkta açıklanabilir; i) tasarım, ii) üretim, iii) deneysel çalışmalar. i) Tasarım için ilk ele alınan konu valf içerip, içermeyecek olmasıdır. Hareketli valflere sahip pompalar, valfler boyunca yüksek basınç düşüşü ve hareketli parçaların aşınması ve yorulması gibi sorunlar içerebilir. Bu ömrün ve güvenilirliğin azalmasına neden olmaktadır. Bu nedenle hareketli parçası olmayan pompalara ihtiyaç duyulmasından dolayı tez kapsamında valf kullanmadan lüle ve yayıcı prensibine dayalı olan mikro düzey bir akışkan pompası tasarlanmıştır. Böylelikle temelde bir pompa odası ve bu pompa odasına akışkan besleyip / boşaltması için lüle ve yayıcı tasarımı yapılmıştır. Diğer bir önemli konu ise akışkanın nasıl tetikleneceğidir. Bu durum için de piezoelektrik disk kullanılmıştır. Piezo malzemenin elektrik akımı ile tetiklenmesi ile aşağı yukarı hareketi sağlanmıştır. Bu hareket pompa odasında basınç oluşturarak akışkanın hareketi sağlanmıştır. Tez kapsamında 80 μm derinliğe ve 15 mm çap değerine sahip pompa odası, ayrıca açısı 9.4 °, uzunluğu 2.82 mm olan lüle ve yayıcı tasarlanmıştır. ii) Mikro düzey üretim yöntemleri hem pahalı hem de özel çalışma alanları gerektirmektedir. Ayrıca, tolerans değerleri çok hassas değerler içermektedir. Büyüklükler mikro düzeyde olduğu için üretimi de oldukça zor süreçlere sahiptir. Üretim alanı için SABANCI üniversitesinde, "temiz oda" adı verilen özel laboratuvarlar kullanılmıştır. Üretim yöntemleri aşındırma çeşidine göre 2 temel sınıfa ayrılmaktadır: Islak aşındırma ve plazma aşındırma. Kuru aşındırma terimi de genellikle plazma aşındırma ile eş anlamlı olarak kullanılmaktadır. Tez kapsamında kullanılan kuru aşındırma yöntemleri adım adım ele alınmıştır. Tezin amaçlarından biri de kuru aşındırma ile üretim adımlarını önceden planlayarak hem üretim süresini hem de üretim maliyetini minimum tutma yöntemini elde etmek olmuştur. Burada bahsedilen amaç, silikon plakanın üst yüzeyine yerleştirilecek olan piezoelektrik tetikleyici disk yuvası ve akışkanın pompa odasına giriş/çıkışını sağlayacak kanalların aşındırma işlemi sırasında avantaj olarak sağlanmıştır. Bu avantaj aşındırma yöntemi için kullanılan yöntem ve aşındırma esnasında kullanılan maske çeşitleridir. Bu iki temel avantaj sayesinde toplam üretim süresinde ciddi bir zaman kazanılmıştır. Ayırca bu adımlar ile üretim için harcanan toplam maliyet de azaltılmıştır. Maliyet azaltımında en önemli etkenlerden biri kuru aşındırma yöntem (DRIE) cihazının kullanım süresinin azaltılmasıdır. iii) Kuru aşındırma yöntemi ile en kısa sürede üretilen mikro pompa silikon plaka yapı, cam lamel, PZT tetikleyici elemanı ve PDMS sızdırmazlık elemanı ile birleştirilerek mikro düzey bir pompa elde edilmiş ve bu mikro pompa ile debi değerini etkileyen faktörler için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Temelde dört parametre detaylı olarak incelenmiştir; sürüş frekansı, uyarma voltajı, frekans dalga tipi ve çalışma sıvısı. Sürüş frekans değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, akış debisinin mikro pompanın rezonans frekans değerine (150 Hz) kadar arttığı ve bu frekans değerinden sonraki artan frekans değerleri ile akış debisinde keskin bir şekilde azalma görülmüştür. Uyarma voltaj değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, 𝑉𝑝−𝑝 değeri 10 [V]'den 60 [V]'ye yükseltildiğinde, bu değişim ile birlikte akış debi değerinde de düzenli bir artış gözlemlenmiş ve akış debi değeri 16 μl/dk'dan 52 μl/dk'ya yükselmiştir. Farklı dalga türlerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, dalga türlerinden en büyük akışkan debi değeri "kare dalga" türü ile sağlanırken bunu sırası ile "sinüs dalga" ve "üçgen dalga" türleri takip etmiştir. Farklı viskozite değerlerine sahip olan çalışma sıvılarının akışkan debisi üzerine etkisi incelendiğinde, aralarında en düşük viskozite değerine sahip olan metanolün, damıtılmış su ve etanol ile karşılaştırıldığında daha yüksek akış debisi sağladığı elde edilmiştir. Tez kapsamında yürütülen çalışma, valf kullanmadan mikro kanallar kullanılarak sıvıların taşınmasının pompalama ilkeleri hakkında öncü niteliktedir. Parametrik etkileri ortaya koyması ve tasarım kılavuzları sağlaması sayesinde bu çalışma, ilaç dağıtımı gibi birçok uygulamada kullanılacak valfsiz piezoelektrik mikro pompaların tasarımı ve geliştirilmesi için bir referans potansiyeli taşımaktadır. Mikro düzey yapıların üretilmesi, üretilen bu mikro düzey cihazlardan geçen akışları ve bu cihazlarında MEMS (Mikro Elektro Mekanik Sistemler) uygulamalarındaki yerini daha da geliştirmek ve gelecekteki araştırmalar için tasarım, üretim yöntemleri ve yapılan deneysel çalışmalar alanında önerilerde bulunulmuştur.
-
ÖgeRobot kolu tasarımında dinamik esnek yapı modeli kullanarak tahrik grubu ve mekanik yapının tümleşik optimizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-06-12) Güleç, Musa Özgün ; Şeniz, Ertuğrul ; 503142021 ; Makina MühendisligiRobot kolu tasarımı yapılırken ilk öncelik, istenen dinamik başarımı ve istenen yapı mukavemetini sağlayan en hafif tasarımı elde etmektir. Bu başarının belirleyicisi ise seçilen tahrik grubu ve uzuvların yapılarıdır. Robot kolunda tahrik grubu ve uzuvlar, dinamik sistemle birlikte hareket halindedir. Bu da tahrik grubunu hem sisteme güç sağlayan hem de güç harcayan bir hale getirir. Daha güçlü bir tahrik grubu sistemin dinamik başarımına olumlu katkıda bulunacaktır ama aynı zamanda kütle artışı sebebiyle sistemin hem dinamik başarımına olumsuz etki sunacak hem de yapıya gelen yükü arttıracaktır. Bunun devamında ise yapıyı daha sağlam hale getirmek için kalınlığı arttırılmak zorunda kalınacak ve bu da tekrar dinamik başarıma olumsuz etki olarak geri dönecektir. Sonuç olarak bu kadar başarım düşüşü tekrar tahrik grubunun revize edilmesine sebep olabilecektir. Bu kısır döngü aslında bir robot kolu tasarımının ne kadar karmaşık olduğunu ve defalarca iterasyona ihtiyaç duyduğunu göstermektedir. Bu yöntem sonuçta optimum değil ama sadece beklentileri karşılayabilen bir tasarımın elde edilmesini sağlamaktadır. Bu karışık ve zorlu tasarım şekli, bir optimizasyon yöntemiyle sorunun çözümlenmesi gerektiği fikrinin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Bu tez çalışmasında, tahrik grubu ve yapı et kalınlığının tümleşik optimizasyonu yapılarak optimum robot kol tasarımın elde edilmesi hedeflenmiştir. Önerilen yöntemi göstermek için 3 serbestlik dereceli bir robot kolu seçilmiştir. Tahrik grubunun seçileceği kapsamlı bir tahrik grubu kütüphanesi kurulmuştur. Bu kütüphanede 31 farklı Maxon motor ve 675 farklı Harmonic Drive dişli kutusu bütün teknik verileri ile birlikte yer almaktadır. Uzuvların yapısı ise birer boru olarak seçilmiştir. Optimizasyonun belirlemeye çalıştığı değişkenler tahrik grubu (motor ve dişli kutuları) ve boru tipindeki uzuv yapılarının et kalınlıklarıdır. Çalışmada 2 farklı yöntem kullanılmıştır. Bunlardan birincisi deneme yanılma prensibine dayanan buluşsal bir optimizasyon algoritmasıdır. Amaç fonksiyonu tektir ve toplam robot kütlesinin en aza indirilmesidir. Robottan beklenen dinamik başarım tasarım parametresiyken, robotun dinamik hareket sırasında yapıların sehiminden dolayı yapacağı en büyük uç konum hatası ise optimizasyon probleminin kısıtı olarak önceden belirlenmiştir. Bir başka deyişle, kısıtlara bağlı tek amaç fonksiyonu olan bir optimizasyon problemi oluşturulmuştur. Optimizasyon döngüsü ise amacı robot kütlesini en aza indirmek olduğu için kısıt ve tasarım parametrelerini elde edene kadar tasarım kütlesini arttırmakla görevlidir ve deneme yanılma yöntemine dayalıdır. Optimizasyon döngüsü Matlab ortamında oluşturulmuştur. Tahrik grubu kütüphanesi matris formunda yine Matlab ortamına aktarılmıştır. Tahrik grubu yeterliliğini gözlemlemek için Simmechanics ortamında katı yapı dinamik benzetim ortamı kurulmuştur. Uzuv yapılarının dinamik hareket sırasında ne kadar sehim yapacağını ve bu sehimlerden dolayı uç konumda oluşacak hatayı gözlemlemek için ise ayrıca esnek yapı dinamik benzetim ortamı çoklu parametre tahmini yöntemiyle yine Simmechanics ortamında kurulmuştur. İlk yöntemin tek amaç fonksiyonuna sahip olması yüzünden ancak tekil bir sonuç verebiliyor olması, aynı zamanda katı ve esnek yapı benzetim ortamlarının ayrı ayrı çalışıp tahrik grubunu ve yapıyı ardışık olarak birbirinden bağımsız değerlendirmesi; çalışmanın biraz daha ileri taşınması gerektiğini ortaya çıkarmıştır. Ardından, çoklu amaç fonksiyonlu bir problemin oluşturulması ve eş zamanlı benzetim ortamında hem tahrik grubunun hem de yapıların eş zamanlı optimize edilmesi fikirleri ortaya çıkmıştır. Bu doğrultuda, ikinci yöntem olarak çoklu amaç fonksiyonu oluşturup baskılanmayanları sıralayan genetik algoritma-II (BSGA-II) ("Non-Dominated sorted genetic algorithm-II, NSGA-II") yöntemi kullanılarak Pareto optimum çözüm kümesi elde edilmiştir. Bu yöntemin kazançlarından ilki yapılarda meydana gelen sehimlerden dolayı dinamik hareket sırasında uç konumda oluşan hataların en büyük değeri bir kısıt olmaktan çıkarılıp, en aza indirilmek üzere amaç fonksiyonuna dönüştürülmesidir. Bu sayede birincisi toplam robot kütlesi, ikincisi de uç konum hatası olmak üzere iki adet en aza indirilmek istenen amaç fonksiyonları oluşturulmuştur. Böylece, artık sadece kısıtları karşılayan tekil bir sonuç yerine iki amaç fonksiyonuna da hizmet eden ve tasarımcıya seçme imkanı sunan bir Pareto optimum çözüm kümesi elde edilmiştir. Bu yöntemdeki diğer kazanç ise, ilk yöntemdeki katı yapı dinamik benzetimin ortadan kaldırılıp hem tahrik grubunun hem de yapıların sadece esnek yapı dinamik benzetim ortamında eş zamanlı değerlendirilmesine olanak tanımasıdır. Bu sayede dinamik hareket sırasında meydana gelen sehimlerin oluşturduğu titreşim ve iç kuvvetlerin dinamik başarımda (ihtiyaç duyulan torkun artması) meydana getirdiği olumsuz etkinin de gözlemlenmesi sağlanmış ve daha gerçekçi bir benzetim ortamı kullanılmıştır. Her iki yöntemin detaylı hallerine ve her ikisi için yapılan örnek optimizasyon sonuçlarına tez içerisinde yer verilmiştir. Yapılan çalışmaların literatüre olan katkılarından ilki esnek yapı dinamik benzetim ortamının kullanılması ile yapı ve tahrik grubunun birbirlerine olan etkisinin de gözlemlenebildiği eş zamanlı bir benzetim ortamının oluşturulmuş olmasıdır. Diğer katkı ise geniş bir tahrik grubu kütüphanesinin bu optimizasyon döngüsüne entegre edilmesidir. Ayrıca, optimizasyon algoritması tasarım parametreleri ve kısıtları ile tamamen değişkenlere bağlı olarak oluşturulmuş, bu sayede birçok farklı ölçüde robot tasarımının yapılabilmesine olanak sağlarken, sunduğu sonuçların optimum olduğunu da garanti etmektedir. Son olarak yöntem baskılanmayanları sıralayan genetik algoritma-II ile desteklenmesi sayesinde çoklu amaç optimizasyon problemine Pareto optimum çözüm kümesini sunarak tasarımcıya seçim yapma hakkı vermektedir