PSD tekniği kullanılarak metalik yapılarda yorulma hasarının tahmini üzerine bir yöntem geliştirilmesi

Abstract

Yorulma kavramı otomotiv, savunma, havacılık, uzay, makine ve sanayi gibi tüm endüstriyel uygulama alanlarında oldukça önem arz etmekte ve hayatımızın her alanında öne çıkmaktadır. Üretilen parçaların çalışma şartlarında maruz kaldıkları yüklemelere karşı dayanıklı ve uzun ömürlü olması beklenmektedir. Tasarım kriterleri de bu yönde geliştirilmektedir. Yorulmaya neden olan üç temel etken vardır. Yorulmaya neden olabilecek ilk etken ürünün geometrisidir. İnce formlu tasarımlar veya ani kesit daralmaları içererek çentik gibi yorulmaya doğrudan etkiyen geometrik detaylardır. İkinci etken, kullanılan malzemenin mekanik özellikleridir. Üçüncü etken ise yükleme türüdür. Yapının maruz kaldığı deterministik ya da rastgele yüklemeler yorulmaya neden olan en yaygın yükle türleridir. Bu üç etken dikkate alınıp, uygun yorulma hesaplama metotları kullanılarak yapıların yorulma hasarı ve buna karşılık ömür değerleri elde edilmektedir. Bu çalışmada ise çentikli geometriye sahip test numunelerine uygulanan rastgele titreşim yüklemeleri sonucunda numunelerin titreşim yorulması hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Alüminyum ve çelik olmak üzere iki farklı malzemeden üretilen test numuneleri için ilk olarak iki farklı sonlu elemanlar yazılımları ile modal analizler, rastgele titreşim analizleri ve yorulma hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Daha sonra titreşim yorulması için hasar hesaplama metotlarından biri olan Dirlik metodu kullanılarak Python yazılımında kod oluşturulmuştur. Numunelerin, rastgele titreşim analizi sonucu elde edilen frekansa bağlı PSD gerilme çıktısı veya aynı şekilde testten de elde edilebilinen frekansa bağlı PSD gerilme çıktıları kullanılarak hasar ve ömür değerleri hesaplanmıştır. Yapılan numerik ve analitik çözümlerden elde edilen sonuçlar, daha önce gerçekleştirilmiş olan fiziksel testlerin sonuçları ile doğrulama amaçlı karşılaştırılmıştır.

The concept of fatigue is very important in industrial applications such as automotive, defense, avionics, aerospace, machine industry and it is become prominent in all fields of our lives. The products produced are expected to be durable and long-lasting against the loads they are exposed to under working conditions. Design criteria are also developed in this direction. There are three main factors that cause fatigue. The first factor that can cause fatigue is the geometry of the product. They are geometric details that directly affect fatigue such as the notch effect, including thin-form designs or sudden section contractions. The second factor is the mechanical and fatigue properties of the material used. The third factor is the type of loading that the product is subjected to, such as fixed, regular (stationary) loading or random (non-stationary) loading. By taking these three factors into consideration, the damage and corresponding life values of the products are obtained by using appropriate fatigue calculation methods. In this study, fatigue calculations of the sample were performed as a result of random vibration loading applied to the metallic test specimen which has notched geometry. Respectively, modal analysis, random vibration analysis and then fatigue calculations were performed numerically by using finite element software for the notched test specimen which is made of aluminum and steel material properties. Then, code was created in Python software by using contain formulations of Dirlik method which is one of the damage calculation methods for vibration fatigue. The damage and life values were calculated using the frequency-dependent PSD stress output obtained as a result of random vibration analysis with the finite element method or the frequency-dependent PSD stress output obtained from the test as well. For the verification of numerical and analytical calculations, it has been compared with the physical test result previously performed.