Kısmen akışkanla dolu ve daldırılmış, yüksek frekanslı yapıların hidroelastik analizi
Hydroelastic analysis of high frequency vibrating structures, partially filled with and submerged in fluids
Yazar: BAHADIR UĞURLU
Danışman: PROF.DR. AHMET ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Durağan ya da eksenel doğrultuda üniform olarak akan bir akışkan ortamıyla etkileşimiçindeki elastik sistemlerin dinamik analizi için, lineer bir hidroelastik çözüm metodusunulmuştur. Modal analiz tekniklerinden hareketle geliştirilen yaklaşım, bağımsız ikianalize, yapısal sönüm ve dış kuvvetlerin yokluğunda yapının dinamikkarakteristiklerinin belirlenmesi ve yapının akışkanla temastayken doğal modlarındahareket ettiği varsayımı altında, etkileşim kuvvetlerinin hesaplanması, dayanmaktadır.Akışkan-yapı sisteminin davranışı, hidrodinamik kuvvetlerin, yapısal sönüm ve varolandiğer dış yüklerle birlikte genelleştirilmiş hareket denklemine etkitilmesiylebelirlenmektedir. Çözümün ilk aşaması ANSYS sonlu eleman yazılımıyla, ikinci aşamaise yapının elastik haraketlerinin akışkan ortamında neden olduğu pertürbasyonlarıtanımlayan potansiyel problemin, akışkan-yapı arayüzü üzerinde bir sınır integraldenklemine dönüştürülmesiyle, sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. Analizler sırasındaelastik yapının göreceli olarak yüksek frekanslarda titreştiği kabul edilerek, serbestyüzey dalgası etkileri ihmal edilmiş, ortaya çıkan serbest yüzey şartı ise imaj metodukullanılarak doğrudan sağlanmıştır. Genelleştirilmiş eksu kütlesi, hidrodinamik sönümve hidrodinamik rijitlik formunda elde edilen etkileşim kuvvetleri, akışkan ortamınınelastik yapı üzerindeki sırasıyla eylemsizlik ve titreşen yapı boyunca eksenel hareketiyleilişkili Coriolis ve santrifüj etkilerini temsil etmektedir. Metodun uygulamaları olarak,biri akışkanın durağan alındığı, diğeri eksenel akım etkilerinin belirleyici olduğu iki ayrıakışkan-yapı sisteminin, sırasıyla akışkan depolama tankları ve üniform eksenel akımetkisindeki silindirik kabuklar, kapsamlı analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilensonuçlar, sunulan hidroelastik metodun güvenilirliğini ve etkinliğini açıkça ortayakoymaktadır.Anahtar Kelimeler: Dinamik akışkan-yapı etkileşimi, Hidroelastisite, Sınır elemanmetodu, Dinamik stabilite, Eksenel akım etkisindeki elastik sistemler

Abstract:
A linear hydroelastic solution method is proposed for dynamic analysis of elastic systemsin contact with quiescent or axially flowing fluid. The method is based on two separateanalysis: (i) evaluation of dynamic characteristics of the elastic structure in the absenceof any structural damping and external forces, and (ii) calculation of interaction forces,by assuming that the flexible structure vibrates in its in vacuo eigenmodes when it is incontact with fluid. In the former stage, a standard finite element software (ANSYS) isadopted and in the latter one, the potential problem defining the perturbations due toelastic vibrations is converted to a boundary integral equation over fluid-structureinterface and solved numerically. The dynamic behavior of the fluid-structure system isobtained from the solution of generalized equation of motion, incorporatinghydrodynamic loads, structural damping and other external forces. In this study, it isassumed that the elastic structure vibrates at relatively high frequencies so that theeffect of free surface waves can be neglected. The resulting free surface condition issatisfied by using method of images. The fluid-structure interaction forces are calculatedin terms of generalized added mass, hydrodynamic damping and hydrodynamic stiffness,due to the inertia, Coriolis and centrifugal effects of fluid, respectively. Two differentengineering systems, fluid storage tanks and cylindrical shells subjected to uniform axialflow, are studied. The obtained results clearly show the consistency and efficiency of theproposed hydroelastic method.Keywords: Dynamic fluid-structure interaction, Hydroelasticity, Boundary elementmethod, Dynamic stability, Elastic systems subjected to axial flow