GCRIS Repository Collection:
https://hdl.handle.net/20.500.11851/2099
2024-03-28T12:45:26ZDoğrudan mürekkeple katmanlı imalat yöntemi kullanılarak kompozit malzemelerin üretilmesi ve mekanik özelliklerinin deneysel olarak incelenmesi
https://hdl.handle.net/20.500.11851/10946
Title: Doğrudan mürekkeple katmanlı imalat yöntemi kullanılarak kompozit malzemelerin üretilmesi ve mekanik özelliklerinin deneysel olarak incelenmesi
Authors: Oflaz, Emre
Abstract: daha sonra doldurulacaktır; daha sonra doldurulacaktır2023-01-01T00:00:00ZUçak kanadı tasarımının uygun dikgen ayrıklaştırma ve tümevarımsal tasarım araştırma yöntemi kullanılarak belirsizlik altında disiplinlerarası optimizasyonu
https://hdl.handle.net/20.500.11851/10941
Title: Uçak kanadı tasarımının uygun dikgen ayrıklaştırma ve tümevarımsal tasarım araştırma yöntemi kullanılarak belirsizlik altında disiplinlerarası optimizasyonu
Authors: Demi̇r, Görkem
Abstract: 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.; The robust optimization of aircraft wings with uncertainties has a large number of design variables due to the complex parametric geometry definitions. The increase in the number of variables in robust optimization problems causes high computational cost. Therefore, reducing the number of design variables and the design complexity is of great importance for robust optimization. As a solution to these problems, the computational load is reduced by integrating the proper orthogonal decomposition method with the inductive design exploration method. The proper orthogonal decomposition method is a dimensional reduction method and analyses the wing design variables in the robust optimization process and extracts the dominant features. Using the calculated dominant features, the wing geometry is re-parametrized by using fewer design variables and an advantage is obtained in terms of computational cost. Thanks to the inductive design exploration method, the uncertainties in both the design inputs and the simulation models were incorporated into the calculations by considering the design requirements and constraints, and robust designs were calculated. The underlying idea of the inductive design research method is to determine the level of robustness of design alternatives, called the robustness criterion. The robust designs calculated for this purpose were compared in terms of performance function and robustness criteria, and their advantages and disadvantages were evaluated. Another problem in the robust optimization process is that the use of high-precision computational fluid dynamics and finite element analyses increases the computational time, especially in multidisciplinary studies where both aerodynamic and structural requirements are considered. Therefore, the computational burden resulting from the use of high accuracy computational methods has been reduced with the proper orthogonal decomposition based radial function surrogate model and the design space has been investigated. The ability of the surrogate model used to predict the design results was also compared with the values calculated from computational fluid dynamics and finite element analysis, and the efficiency of the method used was evaluated. There are differences between the calculated and manufactured designs due to the uncertainties that occur during design. Therefore, determining the uncertainties for a robust multidisciplinary optimization study is another important issue. In this study, the uncertainties arising from the turbulence model used in the computational fluid dynamics analysis were determined using the eigenspace perturbation method. In this way, the variation of the design results under the uncertainties caused by the turbulence model is calculated. In the structural optimization process, which includes issues such as the strength of the internal structure of the wing and the weight of the wing, the lattice cell structures were used and the uncertainties arising from the manufacture of the lattice cells were also calculated and included in the robust optimization study.2023-01-01T00:00:00ZLatis malzemelerin yük taşıma ve şekil değiştirme kapasitelerinin incelenmesi
https://hdl.handle.net/20.500.11851/10940
Title: Latis malzemelerin yük taşıma ve şekil değiştirme kapasitelerinin incelenmesi
Authors: Gençoğlu, Caner
Abstract: 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.; Lattice materials are cellular solids with periodically repeating unit cells. They offer unique solutions to vibration isolation, morphing structures and many other engineering applications because of their lightweight structure. In this study which focuses on load bearing and shape morphing capacities of lattice materials, two different application fields are investigated. First application field is investigation of the lattice material faults on the actuation performance and the second one is usage of lattice structures on Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT) devices. In the lattice fault investigation chapter, lattice structures large enough to neglect boundary condition effects are taken into consideration. Kagome structure, which proves its effectiveness in actuation application is investigated with two of its variants namely Dual Kagome and Kagome Triangular lattice, with an actuator in the middle of the structure, taking attenuation distance and actuation energy as actuation performance criterion. Effects of single fault on defined locations on the actuation corridor and multiple faults randomly distributed over defined areas on the structure are investigated in terms of actuation performance and general stiffness of the structure. Fractured cell wall, missing cell, cell wall waviness, cell wall misalignment and non-uniform wall thickness faults which are commonly encountered in lattice manufacturing are studied. As a result of this study, in case when there is a fault on the actuation corridor, the fault stops the motion if its closer than the attenuation distance of the perfect structure, otherwise it carries the actuation motion forward. In case of randomly distributed faults over the structure, effectiveness of different types of faults are the same for different lattice types. The most important effect comes with fractured cell wall fault, followed by missing cells and cell wall waviness. Cell wall misalignment has its own random behavior due to tis random parameters but its less effective. Non uniform wall thickness has the least significant effect. Order of effectiveness for different types of faults is related how faults reduce the overall connectivity of the lattice structure. Fractured cell wall, which reduces the overall connectivity of the lattice structure the most has the largest effect while non-uniform wall thickness which noes not change the connectivity has an insignificant effect. CMUT device is an electro-acoustic energy transducer which vibrates due to capacitive forces as a result of applied electric field and interacts with the surrounding acoustic medium due to its vibration. In this device an encastered plate with vacuum on one side is vibrated at its natural frequency and waves are generated on the acoustic medium on the other side of the plate. Nonlinear effects due to motion of the encastered plate are generated and become apparent with increased motion, yet the device is desired to be operated at the linear regime. In this study it is shown that designs having the same natural frequency with the solid plate with 3 times larger linear working regime and reduced mechanical impedance are possible thanks to negative Poisson's ratio lattice stiffener structures applied to the CMUT plate. Thanks to this study despite solid plate designs, plate motion is increased in the linear regime with smaller forces without altering the dynamic behavior, allowing groundbreaking CMUT device designs to be made.2023-01-01T00:00:00ZMekanik sistemlerin güvenilirlik tahmini için yeni bir güvenilirlik ekstrapolasyon yöntemi gelistirilmesi
https://hdl.handle.net/20.500.11851/10643
Title: Mekanik sistemlerin güvenilirlik tahmini için yeni bir güvenilirlik ekstrapolasyon yöntemi gelistirilmesi
Authors: Bayrak, Gamze
Abstract: 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.; Asymptotic sampling (AS) is an efficient simulation-based technique for estimating the small failure probabilities of structures. AS utilizes the asymptotic behavior of the reliability index with respect to the standard deviations of random variables. In this method, the standard deviations of random variables are progressively inflated using a scale parameter to obtain a set of scaled reliability indices. The collection of the standard deviation scale parameters and corresponding scaled reliability indices are called support points. Then, least squares regression is performed using these support points to establish a relationship between the scale parameter and scaled reliability indices. Finally, extrapolation is performed to estimate the actual reliability index. The accuracy and performance of the AS method are affected by various factors including the sampling method used, the values of the scale parameters, the number of support points, and the formulation of extrapolation models. One of the purpose of this study is to make a critical evaluation of the performance of the asymptotic sampling method for highly safe structures, and to provide some guidelines to improve the performance of the AS method. It is found that generating the random variables by Sobol sequences and using the 6-model mean extrapolation formulation give slightly more accurate results rather than Latin hypercube sampling (LHS) and 10-model mean extrapolation formulation. Besides, the optimum initial scale parameter is approximately around 0.4, and the optimum number of support points is typically 4 for all problems. As the reliability level increases, the optimum initial scale parameter value decreases, and the optimum number of support points increases. Another factor affecting the performance of the method is the regression type. In the previous studies, the relationship between reliability indices and support points has been established using nonlinear regression. In this study, we explored the use of more advanced machine learning (e.g., Gaussian process, support vector regression) and surrogate modeling (e.g., Kriging) techniques, and compared the accuracies of these techniques to that of the nonlinear regression on various example problems. It is found that using nonlinear regression yields more accurate results than machine learning and surrogate modeling techniques evaluated within the scope of this study. Various extrapolation models have been used in AS to improve accuracy. Moreover, a mean extrapolation formulation using the average value of different extrapolation models was proposed to further improve its accuracy. Although the mean extrapolation formulation protects against using the wrong extrapolation model, it did not guarantee a reliability estimation better than that of the best available extrapolation model. In this study, we propose a weighted average AS formulation in which the weight factors are optimized to minimize the variance of the reliability index estimation through the bootstrapping method. In the weight factor determination, both convex and affine formulations are considered and the results are compared. The performance of the proposed method is evaluated using various example problems. It is found that the proposed weighted average formulation has higher accuracy than the mean extrapolation formulation. For weight factor optimization, the affine formulation yields more accurate results than the convex formulation in most cases.2023-01-01T00:00:00Z