Sonlu elemanlar yöntemleri ile yapısal dinamik analiz cevaplarının süper elemanlar ve alt yapılara bölme ile iyileştirilmesi
The improvement of the responses obtained by finite element methods for the analyses of the structural dynamic problems by superelements and substructuring
Yazar: FİKRET KAMİL ÇORBACI
Danışman: PROF. DR. ATA MUĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Tasarım ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada yapısal dinamik problemlerinin sonlu elemanlar yöntemleri ile elde edilen cevapların iyileştirilmesi incelenmiştir. Bu amaçla süpereleman ve alt yapılara bölme yaklaşımları kullanılmıştır. Geliştirilen yeni model derecesi düşürme yaklaşımları ile oldukça başarılı sonuçlar elde edilmiştir.Bu yeni yaklaşımlarda sistem cevaplarının eşitliğini sağlayacak serbestlik derecelerinin aktif serbestlik dereceleri olarak model derecesi düşürülmüş sistemin içine taşınması temel ölçüt olarak seçilmiştir.Hazırlanan Matlab kodları ile geliştirilen model derecesi düşürme yöntemi, düzlemsel çubuk sistemi, düzlemsel Euler-Bernoulli kiriş eleman sistemi ve plak eleman üzerinde uygulanmış ve alınan sonuçlar, orijinal modellerin cevapları ile karşılaştırılmıştır. Yine aynı kod içinde yer alan diğer model derecesi düşürme yöntemlerine ?İleri Farklar, Newmark integrasyonu ve İmpuls Cevabı İnvaryantı- göre elde edilen sistem cevapları orijinal model cevabı ile karşılaştırılmıştır. Tüm bu karşılaştırmalarda sönüm durumları dikkate alınmış ve farklı model dereceleri için hesaplama zamanları ve başarımları açısından sonuçlar değerlendirilmiştir.Orijinal model ile farklı yöntemlere göre model derecesi düşürülmüş sistemlerin frekans cevaplarının (Bode diyagramları) üzerinde karşılaştırmaları sönüm durumu dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Ayrıca, bu sistem frekans cevapları, çalışmada kullanılan model düşürme yöntemlerin doğrulanması için de kullanılmaktadır.Süper eleman oluşturarak farklı analizlerde esnek bir şekilde kullanım imkanı sağlayan alt yapılara bölme (AYB)-?Substructuring? yöntemi, yapısal dinamik analizlerin cevap süresini kısaltarak hesaplama performanslarının artırılması açısından büyük katkı sağlamaktadır. Geliştirilen Matlab kodu ile düzlemsel Euler-Bernoulli kirişi ve plak sistemleri üzerinde üzerinde AYB uygulaması yapılmış, sonuçlar aynı kod içinde yer alan orijinal model cevabı ile karşılaştırılmıştır. Oluşturulan süper elemanların kullanılması ile hesaplama zamanları çok önemli ölçüde düşürülmüştür. Ancak süper eleman oluşturmaya harcanan zamanın yüksek olması nedeniyle AYB yöntemin de geliştirilen MDD yönteminden daha kötü performans gösterdiği görülmüştür.

Abstract:
In this study, the improvement of the responses obtained by Finite Element Methods for the analyses of the structural dynamic problems is studied. To this end, superelement and substructuring methods are employed. With the proposed model order reduction approach, some improvements have been gained.In the new approach, respecting the DOFs that give responses conforming with original system is assumed the main criteria at the selection of the degrees of freedom which are transferred into the reduced system as active DOFs.Developed model order reduction method was applied to the sample structures of truss, beam and plate by using some Matlab codes and the results of the model order reduction analyses are compared with the original system response. In the same Matlab codes, responses of some other model order reduction methods ?Forward differences, Newmark integration and Impulse response invariant- were also compared with the original system responses. Damping chracteristics of the systems are taken into account at all these comparisons and the results of analyses with different model orders are evaluated in terms of calculation time and performance.Frequency responses (Bode diagrams) of the original and reduced order systems obtained by different approaches were compared with each others by respecting the damping characteristics. Also, these frequency responses are used for the verification of the model order reduction method used during the study.Substructuring method which produces super elements and allows them to be used in different analyses with high flexibility, provides an important contribution on increasing of the accuracy of the structural dynamic analyses. With the developed Matlab code, two substructuring applications on a 2D Euler-Bernoulli beam and plate system are performed and their results are compared with the original system responses. Also, some important improvements have been gained on the reduction of the calculation times by using of the obtained superelements. Nevertheless, since the process time of the super element establishment with substructuring takes excessive time, it was observed that the substucturing exhibits a worse performance than developed model order reduction method.