shock analysis of an antenna structure subjected to underwater explosions a thesis submitted to ...

207 Pages·2015·5.06 MB·Turkish

SHOCK ANALYSIS OF AN ANTENNA STRUCTURE SUBJECTED TO
UNDERWATER EXPLOSIONS

A THESIS SUBMITTED TO
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
OF
MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY

BY

MEHMET EMRE DEMİR

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS
FOR
THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE
IN
MECHANICAL ENGINEERING

SEPTEMBER 2015

Approval of the thesis:
SHOCK ANALYSIS OF AN ANTENNA STRUCTURE SUBJECTED TO
UNDERWATER EXPLOSIONS

submitted by MEHMET EMRE DEMİR in partial fulfillment of the requirements
for the degree of Master of Science in Mechanical Engineering Department,
Middle East Technical University by,

Prof. Dr. Gülbin Dural Ünver
Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences _________________

Prof. Dr. Tuna Balkan
Head of Department, Mechanical Engineering _________________

Prof. Dr. Mehmet Çalışkan
Supervisor, Mechanical Engineering Dept., METU _________________

Examining Committee Members:

Prof. Dr. R. Orhan Yıldırım
Mechanical Engineering Department, METU _________________

Prof. Dr. Mehmet Çalışkan
Mechanical Engineering Department, METU _________________

Assoc. Prof. Dr. Yiğit Yazıcıoğlu
Mechanical Engineering Department, METU _________________

Asst. Prof. Dr. Gökhan O. Özgen
Mechanical Engineering Department, METU _________________

Asst. Prof. Dr. Bülent İrfanoğlu
Mechatronics Engineering Department, Atılım University _________________

Date: 08.09.2015
I hereby declare that all information in this document has been obtained and
presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also
declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and
referenced all material and results that are not original to this work.

Name, Last name: Mehmet Emre DEMİR

Signature:
iv
ABSTRACT
SHOCK ANALYSIS OF AN ANTENNA STRUCTURE SUBJECTED TO
UNDERWATER EXPLOSIONS

Demir, Mehmet Emre
M. S., Department of Mechanical Engineering
Supervisor: Prof. Dr. Mehmet Çalışkan
September 2015, 183 pages

Antenna structures constitute main parts of electronic warfare systems. Mechanical
design is as crucial as electromagnetic design of antenna structures for proper
functioning and meeting high system performance needs. Failure of mechanical
and electronic structures operating under shock loading is a common occurrence in
naval electronic warfare applications. A complete shock analysis of the dipole
antenna structure subjected to underwater explosions is performed to foresee
adverse effects of mechanical shock phenomena on the antenna structure.

Theoretical models of the antenna structure; namely mathematical model and finite
element model, are built on multi-degree-of-freedom approach. Modal properties
are derived from Classical Beam Theory and transient responses to input shock
loading are obtained by Recursive Filtering Relationship (RFR) Method for the
mathematical model. Input shock loading is synthesized from assessed shock
specification to classical shock input. Transient responses exerted from RFR
method are also approximated by simplified and SDOF models. Finite element
analysis of the analytical model is performed on ANSYS® platform. Comparisons
of analytical results are presented for interchangeable use of proposed models.
v
Numerical results are verified with both modal and transient results collected from
experimental analysis. Experimental analysis is performed for exact dimensions of
antenna structure subjected to synthesized shock input criteria.

Shock severity for antenna structure is presented for both electrical and mechanical
components. Design roadmap is drawn within the limitations set for proper antenna
functioning with desired performance. Design limitations are determined by the
verified mathematical model. Shock isolation theory is also explained and applied
to the antenna structure in order to obtain shock responses below limitations
mentioned. Thus, the complete shock analysis of the antenna structure is performed
for antenna design to withstand underwater shock explosions.

Keywords: Underwater Explosions (UNDEX), Shock Profile Synthesis, Transient
Response Analysis, Experimental Shock Analysis, Shock Isolation.
vi
ÖZ
SU ALTI PATLAMARINA MARUZ KALAN BİR ANTEN YAPISININ
ŞOK ANALİZİ

Demir, Mehmet Emre
Yüksek Lisans, Makina Mühendisliği Bölümü
Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Mehmet Çalışkan
Eylül 2015, 183 sayfa

Elektronik harp sistemlerinin en önemli parçası anten yapılarıdır. Yüksek sistem
performansı ve sürekli çalışabilen bir anten yapısı elde edebilmek için
elektromanyetik tasarım kadar mekanik tasarım da kritik öneme sahiptir. Deniz
platformunda çalışan elektronik harp sistemleri yüksek şok yüklemeleri altında
çalıştığından, mekanik ve elektronik yapılarda sıklıkla arızalar veya
deformasyonlar gözlenmektedir. Bu etkileri tahmin edilir hale getirebilmek, şoka
dayanıklı tasarımlar ortaya koyabilmek ve tasarım aşamasında gerekli önlemleri
alabilmek için bir dipol antenin şok analizi sunulmuştur.

Anten yapısı, matematiksel metotlar ve sonlu elemanlar metoduyla çok serbestlik
dereceli olarak modellenmiştir. Antenin modal özellikleri Klasik Kiriş Teorisi ile,
şok cevapları da Yinelemeli Filtreleme İlişkisi(YFİ) Metodu ile modellenmiştir.
Antene etki eden şok tahriki, antenin dayanması gereken şok limitlerine göre
sentezlenen klasik dalga profilleriyle verilmiştir. YFİ metoduyla elde edilen şok
tepkilerine, basitleştirilmiş modellerle ve tek serbestlik dereceli modelle de
yaklaşımlarda bulunulmuştur. Analitik modelin sonlu elemanlar analizi ANSYS®
programı ile gerçekleştirilmiştir. Matematiksel model ve sonlu elemanlar analizi
sonuçları kıyaslanarak gerektiğinde birbirlerinin yerine kullanımları
vii
değerlendirilmiştir. Analitik sonuçlar deneysel modal analiz ve deneysel şok analizi
ile doğrulanmıştır. Deneyler bire bir anten modellerine daha önce sentezlenen şok
profilleri uygulanarak gerçekleştirilmiştir.

Antende yer alan elektriksel ve mekanik parçaların şoka karşı dayanımı
sunulmuştur. Antenin çalışmasını ve istenen performansı sağlayabilmesi için
belirlenen tasarım sınırları tasarım yol haritası içerisinde ortaya konmuş ve tasarım
için incelenmesi gereken adımlar belirtilmiştir. Tasarım sınırları belirlenirken
doğrulanmış olan matematiksel model kullanılmıştır. Antenin bu sınırlar içerisinde
mekanik şoktan etkilenmeden çalışabilmesi için şok izolasyonu teorisi ve şok
izolasyonu basamakları sunulmuştur. Çalışmada incelenen anten yapısının şok
izolasyonu gerçekleştirilerek şoktan etkilenmeden çalışabilmesi sağlanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Denizaltı Patlamaları, Mekanik Şok, Şok Profil Sentezi, Şok
Tepki Analizi, Deneysel Şok Analizi, Şok İzolasyonu.
viii
To My Family,
ix
ACKNOWLEDGEMENTS
I would like to express my sincere gratitude to my advisor, Prof. Dr. Mehmet
Çalışkan, for his guidance, support and technical suggestions throughout the study.
I am grateful to ASELSAN A.Ş. for the financial and technical opportunities
provided for the completion of this thesis.
I would also like to express my sincere appreciation for Yunus Emre Özçelik,
Rahmi Dündar, Emrah Gedikli, Murat Atacan Avgın, Yasin Özdoğan, Caner
Asbaş, Durmuş Gebeşoğlu, Ahmet Dindar, Ahmet Muaz Ateş, Özkan Sağlam and
Merve Öztürk for their valuable friendship, motivation and help.
I would like to thank to Yusuf Başıbüyük for his guidance, help and comments
throughout the drop experiments.
For their understanding my spending lots of time on this work, I sincerely thank to
my family.

x