Mühendislik yapılarında çoğu zaman yükler sabit ya da deterministik değildir. Özellikle havacılık, otomotiv, denizcilik, enerji ve elektronik sektörlerinde yapılar sürekli olarak değişken, rastgele ve çok frekanslı titreşimlere maruz kalır. Bu tür titreşimler; yol yüzeyinden gelen titreşimler, motor çalışması, türbülans, deniz dalgaları ya da rastgele çevresel etkilerden kaynaklanabilir.
Klasik modal veya harmonik analiz yöntemleri, belirli frekanslarda sistem tepkisini inceler. Ancak gerçek mühendislik ortamlarında titreşim yükleri geniş frekans aralıklarında ve rastgele karakterdedir. İşte bu noktada Power Spectral Density (PSD) analizi devreye girer. PSD, rastgele titreşimleri istatistiksel olarak modelleyerek yapının frekans bazlı tepkisini hesaplamamıza olanak tanır.
ANSYS Workbench, PSD analizleri için güçlü araçlar sunar. Bu analizler sayesinde yapının ivme, hız, deplasman ve gerilme spektrumları elde edilir ve bu spektrumlar üzerinden yorulma ömrü tahminleri yapılabilir.
Bu yazıda, rastgele titreşimlerin doğası, PSD analizi teorisi, ANSYS’te PSD uygulamaları, farklı yükleme senaryoları, örnek çalışmalar, endüstrideki kullanım alanları, sık yapılan hatalar ve doğrulama yöntemleri ayrıntılı ve uzun bir şekilde ele alınacaktır.
1) Rastgele Titreşim Nedir?
Rastgele titreşimler, belirli bir frekansta periyodik olmayan, zamana bağlı olarak sürekli değişen titreşimlerdir.
-
Deterministik titreşimler: Belirli frekansta (ör. 60 Hz motor titreşimi).
-
Rastgele titreşimler: Birçok frekansta, farklı genliklerle ortaya çıkar.
Örnek: Uçak türbülans altında titreşimlere maruz kalır; bu titreşimler hem düşük frekansta (kanat hareketleri) hem yüksek frekansta (motor titreşimi) oluşabilir.
2) PSD (Power Spectral Density) Kavramı
PSD, rastgele titreşimlerin frekans bazında enerji dağılımını gösterir.
-
Birimi genellikle g²/Hz veya (m/s²)²/Hz’dir.
-
Yatay eksen: Frekans (Hz).
-
Dikey eksen: Güç yoğunluğu.
PSD eğrisi, farklı frekans aralıklarında titreşim yoğunluğunu gösterir.
3) ANSYS’te PSD Analizi Türleri
-
Base Excitation PSD: Sistem tabanından (ör. şasi, kanat kökü) gelen rastgele titreşimler.
-
Force PSD: Belirli noktalardan uygulanan rastgele kuvvetler.
-
Acceleration PSD: Belirli bir doğrultuda rastgele ivme girişleri.
4) ANSYS Workbench’te PSD Analizi İş Akışı
-
Modal analiz yapılarak doğal frekanslar ve mod şekilleri elde edilir.
-
PSD analizinde yükleme tanımlanır (base acceleration PSD vb.).
-
Analiz çözülür ve tepkiler hesaplanır:
-
RMS (karekök ortalama) değerleri,
-
Maksimum olasılık değerleri.
-
-
Gerilme spektrumları üzerinden yorulma tahmini yapılır.
5) RMS Değerleri ve Yorumu
PSD analizinde sonuçlar genellikle RMS değerleri olarak raporlanır.
-
RMS ivme: Rastgele titreşimlerin ortalama şiddetini gösterir.
-
RMS gerilme: Yorulma analizleri için kritik parametredir.
Örnek: Bir elektronik kart için RMS ivme 15 g bulunduğunda, lehim bağlantılarının yorulma ömrü hızla azalabilir.
6) Örnek Uygulama: Uçak Kanadı
-
Yük: Türbülans kaynaklı base excitation PSD.
-
Sonuç: Kanat ucunda RMS deplasman 12 mm.
-
Yorulma analizi: 10^7 döngüde çatlak başlama riski %90.
7) Örnek Uygulama: Otomotiv Şasi
-
Yük: Yol titreşimleri (0–200 Hz arası).
-
Sonuç: Şasi bağlantı noktalarında RMS gerilme 80 MPa.
-
Deneysel testlerle %6 uyum.
8) Örnek Uygulama: Elektronik Devre Kartı
-
Yük: Rastgele ivme PSD (5–500 Hz).
-
Sonuç: Lehim noktalarında yorulma ömrü tahmini 2.5 yıl.
-
Deneysel titreşim testleri ile uyum sağlandı.
9) PSD Analizi ile Harmonik Analiz Karşılaştırması
-
Harmonik analiz: Tek frekans girişlerine yanıt verir.
-
PSD analizi: Çok frekanslı, rastgele girişlere yanıt verir.
-
Gerçek çevre koşullarında PSD analizi çok daha güvenilirdir.
10) Mesh ve Çözüm Stratejileri
-
Yük yoğunlaşmalarının olduğu bölgelerde ince mesh gerekli.
-
Düşük frekanslar için kaba mesh yeterli olabilir.
-
Yüksek frekanslarda daha küçük time step kullanılmalı.
11) Endüstride Kullanım Senaryoları
-
Havacılık: Uçak gövdesi, kanatlar, motor bağlantıları.
-
Otomotiv: Şasi, süspansiyon, iç parçalar.
-
Elektronik: PCB, lehim noktaları, konektörler.
-
Enerji: Türbin şaftları, jeneratörler.
-
Denizcilik: Gemi gövdeleri, pervane sistemleri.
12) Sık Yapılan Hatalar
-
PSD giriş verilerini yanlış tanımlamak.
-
RMS değerlerini maksimum değer gibi yorumlamak.
-
Yükleme yönlerini eksik girmek.
-
Deneysel PSD verileri yerine tahmini veriler kullanmak.
13) Doğrulama Stratejileri
-
PSD sonuçları laboratuvar titreşim testleri ile karşılaştırılmalı.
-
RMS değerleri deneysel ivmeölçer verileri ile uyumlu olmalı.
-
Yorulma ömrü tahminleri saha testleriyle doğrulanmalı.
Sonuç
Rastgele titreşim (PSD) analizi, özellikle dinamik çevrede çalışan mühendislik yapılarının gerçekçi ömür tahminleri ve güvenlik değerlendirmeleri için vazgeçilmezdir. ANSYS Workbench, PSD analizleriyle yapının RMS deplasman, hız, ivme ve gerilme spektrumlarını hesaplayarak kritik bölgelerin doğru şekilde belirlenmesini sağlar.
Doğru uygulandığında:
-
Uçak, otomobil, gemi ve elektronik bileşenlerin ömürleri güvenilir şekilde tahmin edilir,
-
Dinamik yüklerin neden olduğu hasarlar öngörülebilir,
-
Deneysel testlerle yüksek uyum sağlanır.
Yanlış uygulandığında ise parçalar beklenenden çok daha erken yorulabilir. Sonuç olarak, PSD analizi, rastgele titreşim koşullarında çalışan sistemlerin güvenilir tasarımının temelini oluşturur.
Modelleme, günümüzde yalnızca tasarım süreçlerinin bir parçası değil; aynı zamanda düşünce biçimlerini dönüştüren, analiz kabiliyetini artıran ve fikirleri görünür kılan güçlü bir araç olarak öne çıkıyor. Mimarlıktan mühendisliğe, oyun tasarımından veri görselleştirmeye kadar birçok alanda modelleme, karmaşık yapıları anlaşılır hale getirmek ve çok boyutlu düşünmek için kullanılıyor. Bireyin bir fikri somutlaştırma yolculuğunda modelleme, hem yaratıcı hem de sistematik bir yol sunuyor.
Bu platformda modellemeye tek bir açıdan yaklaşmıyoruz. Üç boyutlu (3D) modelleme elbette temel başlıklardan biri; ancak mimari modelleme, endüstriyel ürün tasarımı, karakter modelleme, veri ve sistem modelleme, parametrik tasarım gibi çok daha geniş bir çerçeveyi kapsıyoruz. Amacımız yalnızca teknik bilgi vermek değil; aynı zamanda modelleme pratiğinin arkasındaki düşünsel yapıyı, yöntemleri ve farklı disiplinlerdeki uygulama biçimlerini de görünür kılmak. Böylece bu alanla ilgilenen herkes, sadece nasıl yapılacağını değil, neden ve hangi bağlamda yapıldığını da anlayabiliyor.
Akademik bir yaklaşımla hazırlanan bu site, hem öğrenmek isteyenlere hem de bilgisini derinleştirmek isteyen profesyonellere hitap ediyor. Teknik içerikler, güncel yazılım önerileri, örnek projeler ve yöntem yazılarıyla zenginleştirilmiş bir yapı sunuyoruz. Modelleme, yalnızca bilgisayar destekli bir üretim süreci değil; aynı zamanda düşüncenin yeniden yapılandırılmasıdır. Bu doğrultuda, hem uygulamaya hem de teoriye dokunan içeriklerle, farklı alanlardaki modelleme meraklılarını ortak bir bilgi zemini etrafında buluşturmak istiyoruz.
