Finite element approach to bending and free vibration analysis ofstrut-based lattice reinforced beams for vibration isolation

Abstract

Titreşim yalıtımı, aşırı titreşimlerin azaltılmış yapısal bütünlüğe, performans kaybına ve rahatsızlığa yol açabildiği havacılık, otomotiv ve inşaat yapıları dahil olmak üzere çok çeşitli mühendislik uygulamalarında kritik bir rol oynamaktadır. Kirişler, hem statik hem de dinamik yüklemeye maruz kalan en temel yapısal bileşenler arasındadır ve bu da eğilme ve serbest titreşim davranışlarını yapısal mekanikte merkezi bir konu haline getirmektedir. Dolu kesitli geleneksel kiriş tasarımları kapsamlı bir şekilde incelenmiştir? ancak, eklemeli imalat ve mimari malzemelerdeki son gelişmeler, hafif tasarım ve gelişmiş titreşim performansı için önemli potansiyel sunan kafes takviyeli kirişlerin geliştirilmesini sağlamıştır. Bu tezde, çubuk esaslı kafes yapılarla güçlendirilmiş kirişlerin eğilme ve titreşim özellikleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Çalışmanın asıl odak noktası, bu yapıların titreşimi ne kadar iyi yalıtabildiğidir. Kirişlerin iç yapısında takviye olarak kullanılmak üzere, dokuz düğümlü çubuklardan oluşan altı farklı kafes tasarımı seçilmiştir. Bu tasarımlar arasında hem eğilmeye hem de uzamaya karşı direnç gösteren farklı yapılar bulunmaktadır? bu da her birinin sertlik ve hareket tepkisinin farklı olmasını sağlar. Bu çalışma, seçilen kafes şekillerinin kirişin toplam sertliğini, doğal frekanslarını ve yük altındaki sehim miktarını nasıl değiştirdiğini ortaya koymayı amaçlamaktadır. Yöntem olarak çok ölçekli bir sonlu elemanlar analizi kullanılmıştır. İlk aşamada, küçük ölçekli kafes birimleri modellenerek bunların mekanik özellikleri hesaplanmıştır. Daha sonra bu özellikler, büyük ölçekli kiriş modeline aktarılmıştır. Kirişlerin hem sabit durumdaki eğilme hareketleri hem de serbest titreşimleri farklı koşullar altında test edilmiştir. Özellikle düşük doğal frekans değerlerine odaklanılmıştır? çünkü düşük frekans, titreşimin daha iyi yalıtılması anlamına gelmektedir. Elde edilen sonuçların doğruluğundan emin olmak için veriler, hem geçmiş çalışmalarla karşılaştırılmış hem de ANSYS yazılımı kullanılarak kontrol edilmiştir. Ayrıca, hangi kafes tasarımının en hafif, en sert ve en iyi yalıtım performansına sahip olduğunu bulmak için ek çalışmalar yapılmıştır. Bu araştırmanın sonuçları, hafif ve yüksek performanslı yapılar tasarlamak isteyen mühendisler için yol gösterici bilgiler sunmaktadır.Vibration control is important part of engineering, particularly in the aerospace and automotive sectors. In these industries, managing vibrations is necessary to provide safety, performance, and comfort. Since beams are basic structural components, it is important to understand their bending and vibration behavior. Traditional solid beams are already well understood? however, recent progress in manufacturing has allowed for the creation of beams reinforced with internal lattice structures. These designs are innovative because they are significantly lighter and can improve vibration management.In this thesis, the bending and vibration behavior of these lattice reinforced beams is investigated in detail. Specific focus is placed on their ability to isolate vibrations. Six different lattice unit cell designs, which serve as the basic building blocks of the structure, were examined to evaluate their performance. Some designs were developed to resist bending, while others handle stretching differently, leading to varied mechanical behaviors. By simulating these configurations within beam models, the study aims to show how the lattice shape affects the overall stiffness, natural frequencies, and deflection of the beam. A multiscale approach using the finite element method was followed for the analysis. First, small scale lattice units were modeled to determine their individual mechanical properties. These properties were then integrated into a larger model of the entire beam. Simulations were performed under various conditions to assess both static bending and dynamic free vibration. A primary goal was to identify designs with lower natural frequencies, as this is directly linked to better vibration isolation. To ensure accuracy, the findings were verified against existing literature and validated using ANSYS software. Finally, parametric studies were performed to find the optimal lattice designs that balance low weight, stiffness, and effective vibration control. This research provides useful insights for designing efficient, lightweight structures in advanced engineering applications.