Modal test ve sonlu elemanlar metodu ile bir biyelin titreşim analizi
Vibration analysis of a connecting rod using modal test and finite element method
Yazar: BAHRİ ŞAMİL KORKMAZ
Danışman: PROF. DR. ABDURRAHMAN KARABULUT
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada dört zamanlı dört silindire sahip benzinli bir motora ait biyelin titreşim
özellikleri modal analiz yöntemi ile tespit edilmiştir. Literatür taraması incelendiğinde,
modal analizin doğal frekanslar, sönüm oranları ve mod şekilleri gibi titreşimi ifade
eden üç temel değişkenin elde edildiği çalışmalar olduğu görülmektedir. Bu kapsamda
bu üç özellik deneysel modal analiz ve sonlu elemanlar metodu aracılığıyla elde
edilmiştir. Deneysel modal analiz, deneyde kullanılan ip sayısında ve biyelin ölçüm
konumlarında değişiklikler yapılarak gerçekleştirilmiştir. Bununla beraber, titreşim
özellikleri elde edilecek malzemenin herhangi bir yöne hareketi kısıtlanmamış 6
serbestlik dereceli uzayda bulunduğu var sayıldığı için, sonlu elemanlar metodunda
elastik ip bağlama metodu kullanılmamaktadır. Sonlu elemanlar metodu ve deneysel
modal analiz ile elde edilen doğal frekans, mod şekli ve sönüm oranı değerleri
karşılaştırılmıştır. Tasarlanan algoritma yardımıyla deneysel modal analize ait mod
şekilleri elde edilmiştir. Sonlu elemanlar metodu için mod şekilleri de tasarlanan
algoritma ile belirlenmiştir ve deneysel modal analizden elde edilen mod şekilleri ile
karşılaştırılmıştır. Modal güvence matrislerinin eldesinde deneysel modal analize ait
veri çiftleri için AutoMAC yöntemi kullanılmıştır. Deneysel modal analiz ile sonlu
elemanlar metoduna ait verilerin karşılaştırması için ise CrossMAC yöntemi ile modal
güvence matrisleri hesaplanmıştır. Sonuç olarak, söz konusu biyele ait titreşim
özellikleri çeşitli metotlarla belirlenmiş ve bu metotların kendi içlerinde
karşılaştırmaları yapılmıştır. Deneysel modal analiz ve FEM ile elde edilen doğal
frekans değerlerinin ilk üç mod için birbirine oldukça yakın olduğu görülmüştür.
Ayrıca, elde edilen doğal frekansların, bir motorun kullanımdaki devir aralıklarıyla
çakışmadığı tespit edilmiştir. Böylelikle motorun herhangi bir çalışma devrinde
rezonans söz konusu olmayacağı anlaşılmıştır. Deneysel modal analiz ve FEM ile elde
edilen sönüm oranları arasındaki fark, yerçekimsiz ve kısıtsız şartlar ile maddesel
ortamdaki malzemenin yapabileceği sönümün önemli ölçüde farklı olacağını
göstermektedir. Pratikte kullanılabilecek sönüm oranı değerlerinin, deneysel modal
analizden elde edilen sönüm oranları olması gerekir, çünkü bir biyelin maddesel
ortamda sahip olduğu titreşim karakteristikleri, kullanım durumundaki
karakteristiklerine daha yakındır. Elde edilen çok sayıda veri ve yapılan
değerlendirmeler ışığında bir biyele ait tüm bu özelliklerin pratikte ne anlama geldikleri
bu tezin içerisinde detaylıca açıklanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Modal Analiz, Biyel, Frekans Cevap Fonksiyonu, Sonlu Elemanlar Metodu, Modal Güvence Matrisi

Abstract:
In this study, the vibrational characteristics of a connecting rod that belongs to a fourstroke four-cylinder gasoline engine are examined. According to the literature review,
modal analysis is a study that obtains the three main vibrational characteristics as
natural frequencies, damping ratios, and mode shapes. In this context, these three main
characteristics are obtained with experimental modal analysis and the finite element
method. Experimental modal analysis is carried out with the changes in the number of
elastic strings and the placement of the connecting rod and then the results are
evaluated. However, since the test object is assumed to be hung in space with 6 degrees
of freedom and also anything does not restrict its movement, the finite element method
does not include an elastic spring binding method. Natural frequency, damping ratio,
and mode shape values which are obtained with experimental modal analysis and the
finite element method are compared. Mode shapes that belong to the experimental
modal analysis results are obtained with a constructed algorithm. Mode shapes that
belong to the finite element method are also obtained with the same algorithm and these
mode shapes are compared with the ones that belong to experimental modal analysis.
For the pair of data from the experimental modal analysis, modal assurance criterion
matrixes are obtained with the AutoMAC method. Comparison of the data belong
experimental modal analysis and the finite element method is carried out with modal
assurance matrixes obtained with the CrossMAC method. In conclusion, the vibrational
characteristics of the aforementioned connecting rod are examined with various
methods and the results from these results are compared. It is seen that natural
frequency values obtained with experimental modal analysis and FEM are reasonably
close to each other for the first three modes. Besides, it is determined that obtained
natural frequencies are not overlapped with any of the revolution numbers of a running
engine. Therefore the resonance in any of the revolution numbers does not occur. The
difference between the damping ratios obtained from experimental modal analysis and
FEM shows that the damping that occurred in the conditions without gravity or
restraining and the ordinary conditions would be significantly different from each other.
In practice, damping ratios obtained from the experimental modal analysis ought to be
used, since the vibrational characteristics that the connecting rod has in ordinary
conditions are close to the characteristics when it is in the running engine. In light of
the obtained data and evaluations, it is explained in detail what the significance of these
characteristics is.

Keywords: Modal Analysis, Frequency Response Function, Finite Element Method, Modal Assurance Criterion