Modern Sayısal Yöntemler

Sayısal yöntemlerin temel prensibi, problemin fiziksel büyüklükleri çok küçük bölgeler için incelenmesidir. Bu şekilde gerçek yapının davranışı, birbirine bağlı küçük bölgelerde oluşturulan denklemler ile incelenebilmektedir. Yapıyı küçük parçalara bölerek ve bu parçaları birleştiren bağları oluşturarak, fiziksel büyüklüklerin yapı içindeki değişimi yeterli hassasiyetle hesaplanabilir. Sayısal yöntemler matematikçilerden daha çok mühendisler tarafından geliştirilmiştir.

Mühendislik uygulamalarında en çok kullanılan sayısal yöntemler; sonlu farklar metodu (FDM), sonlu elemanlar metodu (FEM) ve sınır elemanları metodudur (BEM). Ancak günümüzde mühendislik problemlerinin çözümünde en çok uygulanan teknikler olarak sonlu elemanlar ve sınır elemanları metodları görülmektedir; sonlu farklar metodunun bir çok problem için uygulanamaz olduğu ve yeterli yakınlıkta sonuçlar vermediği görülmüştür. Bu tez çalışmasında zincir baklası, sonlu elemanlar ve sınır elemanları metodu ile ayrı ayrı incelenecektir.

6.1.1 Modern Sayısal Yöntemlerin Tarihçesi

Sonlu elemanlar metodu, sınır elemanları metoduna gore daha eski bir yöntemdir. “FEM” ve “BEM” isimleri yeni verilmiş olmasına rağmen, arkasındaki temel fikir yüzyıllar öncesine dayanmaktadır. Örneğin, eski matematikçiler, bir çemberin çevre uzunluğunun bulunması problemini etrafına poligon çizerek çözmüşlerdir. Poligonun köşe sayısı ne kadar arttırılırsa sonuca o kadar yaklaşılmaktadır. Burada poligonun kenarları sonlu elemanlar olarak kabul edilebilir. Bu işlemin karakteristikleri, günümüzdekiler de dahil tüm sonlu elemanlar metodu problemleri için geçerlidir. Sonlu elemanlar metodu ilk olarak yapı analizinde kullanılmaya başlanmıştır. İlk çalışmalar Hrennikoff (1941) ve Mc Henry (1943) tarafından geliştirilen yarı analitik analiz metotlarıdır. Argyis ve Kelsey (1960) virtuel iş prensibini kullanarak bir direkt yaklaşım metodu geliştirmişlerdir. Turner ve diğerleri (1956) bir üçgen eleman için

rijitlik matrisini oluşturmuştur. "Sonlu Elemanlar" terimi ise ilk defa Clough (1960) tarafından kullanılmıştır. Metodun üç- boyutlu problemlere uygulanması iki-boyutlu teoriden sonra kolayca gerçeklenmiştir (örneğin, Argyis (1964)).

İlk gerçek kabuk elemanlar eksenel simetrik elemanlar olup (Grafton ve Strome (1963)), bunları silindirik ve diğer kabuk elemanları izlemiştir (Gallagher (1969)). Araştırıcılar 1960'lı yılların başlarında non-lineer problemlerle ilgilenmeye başladılar. Turner ve arkadaşları (1960) geometrik olarak non-lineer problemler için bir çözüm tekniği geliştirmişlerdir. Sonlu elemanlar metoduyla stabilite analizi ise ilk Martin (1965) tarafından tartışılmıştır. Ilerleyen yıllarda statik problemlerin yanısıra dinamik problemler de sonlu elemanlar metoduyla incelenmeye başlanmıştır (Zienkiewicz ve diğerleri (1966) ve Koening ve Davids (1969)). 1943 yılında Courant bölgesel sürekli lineer yaklaşım kullanarak bir burulma problemi için çözüm üretmiştir. [6]

Yapı alanı dışındaki problemlerin sonlu elemanlar metoduyla çözümü 1960 'lı yıllarda başlamıştır. Zienkiewicz ve Cheung (1965) sonlu elemanlar metodu ile Poisson denklemini çözmüştür. Doctors (1970) ise metodu potansiyel akışa uygulamıştır. Sonlu elemanlar metodu geliştirilerek ısı transferi, yeraltı sularının akışı, manyetik alan ve diğer bir çok alana uygulanmaktadır.

Genel amaçlı sonlu elemanlar paket programları 1970'li yıllardan itibaren ortaya çıkmaya başlamıştır. 1980'li yılların sonlarına doğru ise artık paket programlar mikro bilgisayarlarda kullanılmaya başlanmıştır. Günümüze kadar, sonlu elemanlar metodu ve uygulamalarıyla ilgili yaklaşık olarak 40000 makale ve kitap yayınlanmıştır. Sınır elemanları metodunu konu alan ilk kitabın ise 1978 de yayımlanmasından sonra literatürde; potansiyeli, elastostatik problemlerini ve diğer mühendislik problemlerini konu alan çalışmalar olmuştur. 1978 yılına kadar matematikçilerin ve fizikçilerin neredeyse tek alanı olan sınır integral denklemlerinin çözümünün gerçekçi problemlere uygulanması için çok az bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalara öncülük eden Hess ve Smith, genel mühendislik problemlerinin çözümü için tamamen yeni bir yöntem oluşturmak yerine özel şartları incelemişlerdir. Aslında Hess ve Smith potansiyel akış problemlerine uygulanan Laplace tipi sınır değer problemlerinin çözümü için güçlü programlar geliştirmişlerdir. Bu tekniğe şimdi indirekt sınır elemanları tekniği denilmektedir. Hess ve Smith kendi formülasyonlarını iki boyutlu cisimleri olduğu gibi üç boyutlu cisimleri de analiz etmek için geliştirmişler ve

onların kodları hala aerodinamikte yaygın kullanılmaktadır. Hess ve Smith kadar önemli bir başka çalışma da Harrington ve arkadaşları tarafından yapılmıştır. Onlar da tekniği, daha genel sınır şartlarını kullanarak – ki bu şartlara Robin veya karma şartlar denilmektedir – elektrik mühendisliği problemlerinin çözümüne gitmişlerdir. [7]

Sınır elemanlarının direkt formülasyonun potansiyel problemlerine uygulanması da Jaswon‟ un çalışmasıdır. 1963 te Jaswon ve Symm, Fredholm sınır integral denklemlerinin çözümü için bir sayısal teknik ortaya çıkarmışlardır. Bu teknik, sınırı küçük elemanlara ayırmayla ve her bir elemanın içinde sabit bir kaynak yoğunluğunun olduğunu kabul etmekle ilgilidir. Onlar, denklemi yöneten sistemi elde etmek amacıyla birleştirmeyi kullanmışlardır ve sayısal teknikler (Simpson kuralı) kullanarak ve analitik yöntemlerle bulunabilecek tekil katsayıları kabul ederek etki katsayılarını hesaplamışlardır.

1978 den itibaren Brebbia ve arkadaşlarının çalışmalarıyla, sınır elemanları metodu, sonlu elemanlar ve sonlu farklar gibi sayısal tekniklerle alakalı ve o tekniklere yakın görülmüştür. [7]

6.1.2 Sayısal Yöntemlerin Avantajları ve Sınırları Sayısal yöntemlerin avantajları aşağıda belirtilmiştir.

a) Sayısal yöntemler (FEM ve BEM) ile karmaşık bir şekil ve goemetriye sahip parçalar kolaylıkla incelenebilir.

b) Değişik ve karmaşık malzeme özellikleri olan sistemlere kolaylıkla uygulanabilir. Noktadan noktaya değişen, anizotropik, non-lineer, zamana bağlı, sıcaklığa bağlı malzeme özellikleri dikkate alınabilir.

c) Sürekli, süreksiz veya değişken yükler kolaylıkla incelenebilir.

d) Sistemin temel denklemleri kurulduktan sonra sınır şartları basitçe denklemlere dahil edilebilmektedir.

Sayısal yöntemlerin sınırlarını ise şöyle sıralanabilir :

a) Gerçek problemin yerine yaklaşık eşdeğer (daha basit) bir problem konulduğu için elde edilen sonuç net bir sonuç değildir, yaklaşık bir sonuçtur.

b) Genellikle kullanılan paket programaları için büyük bilgisayar hafızasına ihtiyaç vardır.

c) Modelleme aşamasında yapılan bazı hatalar küçük gözükse de sonuç üzerinde etkisi büyük olmaktadır. Malzeme parametrelerinin belirlenmesi, şeklin elemanlara ayrılması, yük ve sınır koşullarının doğru belirlenmesi sonucunda gerçeğe yakın bir analiz sonucu elde edilebilir.

d) Metod uygulanırken bazı varsayımlar yapıldığı için sonuçlar dikkatlice incelenmelidir.

6.2 Sonlu Elemanlar Metodu ile Zincir Baklasının Gerilme Analizi