Gauss tipi olmayan ve durağan olmayan yükleme koşullarının frekans uzayında yorulma ömrü tahminine etkisi
The effect of non-Gaussian and non-stationary loading conditions on fatgue life estimation in frequency domain
Yazar: TARIK BALDAN
Danışman: PROF. DR. ATA MUGAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Gauss = Gauss ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Yorulma analizi = Fatigue analysis ; Yorulma eğrileri = Fatigue curves

Özet:
Günümüzde ürün geliştirme süreçleri müşterilerin konfor ve güvenliği açısından önem teşkil etmektedir. Ürün geliştirme birimleri en az maliyetli tasarımı kullanıcının konforunu ve güvenliğini sağlayacak şekilde tasarım ve üretim süreçlerini ilerletmeyi hedeflerler. Tasarlanan sistemin üretim ve işletme maliyetine göre bazı sistemlerde anlık hasar incelemesi bile yeni geliştirilen yöntemlerdendir. Ürün geliştirme süreçlerinde simülasyon destekli tasarım geliştirme yöntemi sıkça kullanılır. Havacılık, ulaşım ve taşımacılık gibi sektörlerde üretilen ürünler genellikle titreşim yüklerine maruz kalırlar. Titreşim ve titreşime bağlı yorulma bu sektörlerde en çok karşılaşılan problemler arasındadır. Yapısal sistemlerde meydana gelen yorulma hasarı hem kullanıcı için risk taşırken hem de bakım ve onarım maliyetleri açısından zarara sebep olur. Yorulma hasarından kaçınmak için sistemin veya bileşenin yorulma hasarına karşı dayanıklı bir malzeme ile üretilmiş veya yorulma hasarının üstesinden gelecek bir tasarıma sahip olması gerekmektedir. 
Mekanik sistemlerin yorulma hasarını öngörmek amacıyla fiziksel teste veya sayısal yöntemlere dayalı birçok yöntem geliştirilmiştir. Fiziksel testler genellikle zaman ve maliyet açısından verimsiz yöntemlerdir. Fiziksel testleri mümkün olan en az tekrar sayısı ile gerçekleştirmek gerekmektedir.  Bu nedenle tasarım süreçleri genellikle sayısal yöntemler ile ilerletilir ve yalnızca final tasarım ile fiziksel testler gerçekleştirilir.
Ürün geliştirtirme süreçlerinde en sık başvurulan sayısal yöntemlerden biri sonlu elemanlar analizleridir (SEA).  Sonlu eleman analizleri ile bir mekanik yapının statik ve dinamik birçok davranışını öngörmek mümkündür. Ürün geliştirme süreçlerinde sonlu elemanlar yöntemleri kullanılırken fiziksel test verilerinden de faydalanılır. Fiziksel test verileri sonlu elemanlar analizinde girdi olarak kullanılabilirler. 
Bu tez çalışması kapsamında sonlu elemanlar analizlerinin yanı sıra fiziksel test uygulamalarına veri toplama ve işleme yöntemlerine de başvurulmuştur. Bu tez çalışması kapsamında rastgele yükelemelerin genel özelliği olan gauss tipi olmama ve durağan olmama durumunun frekans uzayında yorulma ömrü hesabına etkisi incelenmiştir. 
Literatüre bakıldığında zaman uzayında yorulma analizlerinin uzun süredir kullanılan yöntemler olduğu ancak frekans uzayında yorulma analizlerinin son yıllarda hızlı gelişim gösterdiği görülmüştür. Bu hızlı ilerlemeye rağmen frekans uzayında yorulma analizi yöntemlerinde gelişime açık alanlar olduğu belirtilmektedir. 
Tez çalışması sırasında Ford Otosan Eskişehir Fabrikası ağır ticari araç test pistinden toplanan titreşim sinyalleri incelenmiş ve bu sinyallerin gauss tipi olmadığı ve durağan olmadığı belirlenmiştir. Test verilerinden faydalanarak benzer özelliğe sahip veriler üretilmiş ve korunumlu titreşim testlerinde kullanılmışlardır. Test çalışmalarında ileri seviyede veri toplama yöntemleri uygulanmış ve sonlu elemanlar analizi çalışmalarını doğrulamak amacıyla bu veriler işlenmiştir. Doğrulanan sonlu elemanlar modelleri ve zaman uzayında yorulma yöntemleri parametreleri ile yüz adet farklı sinyal kullanılarak sinyalin basıklık ve yatıklık parametrelerinin frekans uzayında yorulma analizine etkisi incelenmiştir.

Abstract:
Today, product development processes are important for the comfort and safety of customers. Product development teams aim to advance the design and production processes in a way that ensures the comfort and safety of the costumer with the least cost design. According to the production and operating costs of the designed system, even instant damage diagnostic technics are one of the newly developed methods in some systems. Simulation driven design methods are frequently used in product development processes. Products manufactured in industries such as aviation, transportation and transportation are often exposed to vibration loadings. Vibration and vibrationalfatigue are among the most common problems in these industries. Fatigue damage in structural systems might be dangereous for the customer and causes damage in terms of maintenance and repair costs. To avoid fatigue damage, the system or component must be manufactured with a material that is resistant to fatigue damage or have a design that can handle fatigue damage.
Many methods based on physical testing or numerical methods have been developed to predict fatigue damage of mechanical systems. Physical tests are often time and cost inefficient methods. Physical tests should be performed with as few repetitions as possible. For this reason, the design processes are usually advanced with numerical methods and physical tests are performed with only the final design.
One of the most frequently used numerical methods in product development processes is finite element analysis (FEA). It is possible to predict many static and dynamic behaviors of a mechanical structure with finite element analysis. While finite element methods are being  perfomed in product development processes, physical test data are also used. Physical test data can be used as input in finite element analysis.
In this thesis, besides finite element analysis, physical test applications, data collection and processing methods were also applied. Within the scope of this thesis, the effect of non-gaussian and non-stationary status, which are the general characteristics of random loading, on the fatigue life calculation in frequency space was investigated.
Fatigue analysis in time domain has been used for a long time, but fatigue analysis in frequency domain has shown rapid development in recent years. Despite this rapid progress, it is stated that there are areas open to improvement in fatigue analysis methods in the frequency domain.
During the thesis study, vibration signals collected from Ford Otosan Eskişehir Factory heavy commercial vehicle proving ground were examined and it was determined that these signals are non-gaussian and non-stationary. Using the new test signals, with similar properties, were produced and used in conservative vibration tests. Advanced data collection methods were applied in the test studies and these data were processed in order to validate the finite element analysis studies. The effects of kurtosis and skewness parameters of the signal on fatigue analysis in frequency domain were investigated by using verified finite element models and fatigue methods parameters in time domain, and using one hundred different signals.
Within the scope of the thesis, firstly, studies on fatigue calculation in frequency domain and investigating the effects of random loading signals on fatigue calculation in frequency domain were examined with finite element methods and fatigue testing method.These studies provide motivation for the master thesis study. 
Modal analysis was performed to determine the natural frequencies, mode shapes and modal participation parameters of the fatigue test specimens. For the modal analysis, finite element model of the specimen was used. The FE model of the specimen is constrained at all degrees of freedom during analysis according to connection strategy to the fixture. Modal analysis was run between 0-300 Hz. It has been observed that the specimen has only one natural frequency in this frequency band and its natural frequency is calculated as 147 Hz. Also,  uniaxial stress state is important for fatigue analysis calculation in frequency space.
The fatigue life obtained by the specimen fatigue tests provide a very important results in the verification of the fatigue analysis. Fatigue analysis in time and frequency domains were carried out and the effects of non-gaussian and non-stationary signals with different statistical properties on the fatigue life calculation were investigated by studies in virtual and real environments.
S235JR material, which is the equivalent of the St37 material in the nCode software material library, which is the test specimen material, was used in the fatigue analysis. The properties of this material are shared in the thesis. These properties determine the material properties and the limits of the SN curve.
Modal damping parameters have a very important effect on the dynamic behavior of the system in mode-based dynamic analysis methods in the time domain and frequency domain. For this reason, it is important to determine the mode-dependent damping parameters before the fatigue calculation. The most efficient way to determine the modal damping parameters is to compare the stress data obtained with the sinesweep signal test and converted to the frequency domain with the frequency based modal dynamic analysis result on the natural frequency point. In order to increase the accuracy of the FE analyses, the modal damping parameter was determined as 0,22.
The comparison of fatigue analysis results and test results in the frequency domain is shared in this study. When the Dirlik and Steinberg methods are compared to each other, it is seen that the Steinberg method gives more conservative results. When the test data and methods are compared, the Steinberg method gives results with the less error rate than the Dirlik method. Considering the error rates, the average error was calculated as 59.3% in the Dirlik method and 34.5% in the Steinberg method. Fatigue lifecycles were calculated with a high error rate, as expected, with fatigue analysis methods in the frequency space made with non-gaussian and non-stationary signals.