THE ANALYSES OF THIN WALLED TUBES BY USING ARTIFICIAL NEURAL NETWORK

Transkript

1 Niğde Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 6 Sayı 1-2, (2002), İNCE CİDARLI ÜP SİSEMLERİN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE ANALİZİ Ömer KELEŞOĞLU *, Adem FIRA ÖZE Bu çalışmada, tüp sistemlerin gerilme ve burulma analizleri sunulmuş ve bu sistemlerle ilgili uygulamalar yapay sinir ağları kullanılarak çözülmüştür. Bu uygulamalarda geri yayılımlı sinir ağı kullanılmıştır. Ağın eğitimi için gereken eğitim ve test seti Ms-Excel programında hazırlanmıştır. Eğitim ve test seti için farklı değerler kullanılmıştır. Giriş ve çıkış değerleri normalize edilerek ağa verilmiştir. Bu çalışmadaki test ve uygulama sonuçları sayesinde tüp sistemlerin yapay sinir ağları ile başarıyla analiz edilebileceği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: üp Sistem, Gerilme Analizi, Burulma Analizi, Yapay Sinir Ağları HE ANALYSES OF HIN WALLED UBES BY USING ARIFICIAL NEURAL NEWORK ABSRAC In this study, the analyses of stress and torsion of tube systems have been presented and the applications related to these systems have been solved by artificial neural networks. A backpropagation neural network has been used. he training and test sets, which are necessary for the training of network have been prepared in the program Ms-Excel. Different values have been used for the training and the test. he values of input and output of the network have been given to network after being normalized. From the results of the test and application, it has been shown that tube systems can be analyzed successfully by using artificial neural networks. Key Words: ube System, Stress Analysis,orsion Analysis,Artificial Neural Networks * Fırat Üniversitesi, eknik Eğitim Fakültesi, Yapı Eğitim Bölümü, Elazığ, ÜRKİYE okelesoglu@firat.edu.tr

2 Ö. KELEŞOĞLU, A. FIRA 1. GİRİŞ İlk defa 1950 li yıllarda ortaya atılan yapay zeka terimi zaman içinde oldukça yoğun ilgi görmüş ve yıllık bir zaman diliminde hayatın vazgeçilmez parçası olan sistemlerin doğmasına neden olmuştur. Yapay sinir ağları yapay zeka çalışmalarının da ivmesini artırmıştır. Yapay sinir ağları, insan beyninin en önemli özelliği olan öğrenme yolu ile yeni bilgiler türetebilme, oluşturabilme ve keşfedebilme gibi yetenekleri herhangi bir yardım almadan kendiliğinden gerçekleştirmek amacı ile geliştirilen, farklı topoloji ve ağ modelleriyle birbirine bağlanmasıyla oluşan karmaşık sistemlerdir[1,2]. Son yıllarda hızla gelişen yapay sinir ağları, inşaat mühendisliğinde oldukça geniş bir uygulama alanı bulmuştur. İnşaat mühendisliğinde uygulanan bazı yapay sinir ağları çalışmaları; Kang ve Yoon, yapay sinir ağları yaklaşımıyla basit bir kafes sistemi çözmüş diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında oldukça iyi sonuçlar elde etmişlerdir [3]. Arslan ve İnce, geri yayılımlı sinir ağlarını kullanarak betonarme kolonların tasarımını yapmıştır [4]. Deprem ivme kayıtlarının değerlendirilmesi ve sonuçlarının yorumlanmasında yapay sinir ağları hayli başarılı olmuştur [5]. Bir başka çalışmada köprülerin dinamik analizinde bu teknik kullanılarak sağlıklı sonuçlara ulaşılmıştır [6]. Betonun farklı yüklemeler altındaki gerilme-şekil değiştirme bağıntılarının belirlenmesinde de başarıyla uygulanmıştır [7]. Keleşoğlu ve arkadaşları yaptıkları çalışmada, çok katmanlı ileri beslemeli bir yapay sinir ağı kullanarak yalıtım malzemesinin kalınlığını tespit etmişlerdir [8]. Ayrıca tuğla duvardaki ve tesisattaki ısı kaybı yapay sinir ağları ile başarılı bir şekilde belirlenmiştir [9]. Yapılan bu çalışmalardan anlaşılacağı gibi yapay sinir ağları inşaat mühendisliğinde çeşitli uygulama alanlarında kullanılmış ve diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında başarılı sonuçlar elde edildiği görülmüştür. Bu çalışmada ince cidarlı tüp sistemlerin analizi verilmiş ve sayısal uygulamalar yapay sinir ağları ile çözülmüştür. 2. YAPAY SİNİR AĞLARI Beynin üstün özellikleri, bilim adamlarını üzerinde çalışmaya zorlamış ve beynin nörofiziksel yapısından esinlenerek matematiksel modeli çıkarılmaya çalışılmıştır. Beynin bütün davranışlarını tam olarak modelleyebilmek için fiziksel bileşenlerinin doğru olarak modellenmesi gerektiği düşüncesi ile çeşitli yapay hücre ve ağ modelleri geliştirilmiştir. Böylece Yapay Sinir Ağları ile adlandırılan yeni ve günümüz bilgisayarlarının algoritmik hesaplama yönteminden farklı bir bilim alanı ortaya çıkmıştır. Yapay sinir ağları; yapısı, bilgi işleme yöntemindeki farklılık ve uygulama alanları nedeniyle çeşitli bilim dallarının da kapsam alanına girmektedir. Yapay sinir ağları, olayların örneklerine bakmakta, onlardan ilgili olay hakkında genellemeler yapmakta, bilgiler toplamakta ve daha sonra hiç görmediği örnekler ile karşılaşınca öğrendiği bilgileri kullanarak o örnekler hakkında karar verebilmektedir Yapay Sinir Ağlarının Eğitilmesi Yapay sinir ağlarının öğrenme sürecinde, dış ortamdan gözle veya vücudun diğer organlarıyla uyarıların alınması gibi dış ortamdan girişler alınır, bu girişlerin beyin merkezine iletilerek burada değerlendirilip tepki verilmesi gibi yapay sinir ağında da aktivasyon fonksiyonundan geçirilerek bir tepki çıkışı üretilir. Bu çıkış yine tecrübeyle verilen çıkışla karşılaştırılarak hata bulunur. Çeşitli öğrenme algoritmalarıyla hata azaltılıp gerçek çıkışa yaklaşılmaya çalışılır. Bu çalışma süresince yenilenen yapay sinir ağının ağırlıklarıdır. Ağırlıklar her bir çevrimde yenilerek amaca ulaşılmaya çalışılır. Amaca ulaşmanın veya yaklaşmanın ölçüsü de yine dışarıdan verilen bir değerdir. Eğer yapay sinir ağları verilen giriş-çıkış çiftleriyle amaca ulaşmış ise ağırlık değerleri saklanır. Ağırlıkların sürekli yenilenip istenilen sonuca ulaşana kadar geçen zamana öğrenme adı verilir. 46

3 İNCE CİDARLI ÜP SİSEMLERİN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE ANALİZİ Yapay sinir ağı öğrendikten sonra daha önce verilmeyen girişler verilip, sinir ağı çıkışıyla gerçek çıkışı yaklaşımı incelenir. Eğer yeni verilen örneklere de doğru yaklaşıyorsa sinir ağı işi öğrenmiş demektir. Yapay sinir ağına verilen örnek sayısı optimum değerden fazla ise sinir ağı işi öğrenmemiş ezberlemiştir. Genelde eldeki örneklerin yüzde sekseni ağa verilip ağ eğitilir, daha sonra geri kalan yüzde yirmilik kısım verilip ağın davranışı incelenir diğer bir deyişle test edilir Geri Yayılımlı Öğrenme Geri yayılımlı öğrenen ağlar giriş, çıkış ve en az bir gizli katman olmak üzere üç katmandan oluşurlar. Gizli katman ve gizli katmandaki düğüm sayısı değiştirilebilir. Düğüm sayısının artması ağın hatırlama yeteneğini artırmakla birlikte öğrenme işleminin süresini uzatmaktadır. Düğüm sayısının azaltılması eğitim süresini kısaltmakta fakat hatırlama yeteneğini azaltmaktadır. Geri yayılım ağlarında katman sayısı ve her katmandaki düğüm sayısının seçilmesinde kesin bir yöntem yoktur ve sadece takip edilecek genel kurallar bulunmaktadır. Kural 1: Girdi verisi ve istenilen çıktı arasındaki ilişkinin karmaşıklığı artınca, gizli katmanlardaki işleme elemanlarının sayısı da artmalıdır. Kural 2: Eğer ele alınan süreç birçok aşamalara ayrılabiliyorsa, fazla sayıda gizli katman kullanılmalıdır. Kural 3: Ağda kullanılan eğitim verisinin miktarı, gizli katmanlardaki işleme elemanlarının sayısı için üst bir sınır oluşturmaktadır [10]. Giriş katmanındaki her bir düğüm gizli katmandaki her düğüme, gizli katman birden fazla ise bu katmandaki her bir düğüm kendisinden sonra gelen katmandaki her düğüme ve gizi katman çıkışındaki her düğüm çıkış katmanındaki her düğüme bağlıdır. Bir katmandaki hiçbir düğüm kendi katmanındaki diğer bir düğüme bağlı değildir. Her katmanın çıkış değerleri bir sonraki katmanın giriş değeridir. Bu şekilde giriş değerlerinin ağın girişinden çıkışına doğru ilerlemesine ileri besleme denir. Şekil 1 de bir geri yayılım ağı örneği görülmektedir. Girişler Çıkışlar Gizli Katman Şekil 1. Bir geri yayılım ağı örneği Geri yayılım çok katmanlı ağlarda kullanılan delta kuralı için genelleştirilmiş bir algoritmadır. Bu algoritma çok katlı ağlarda hesap işlerini öğrenmede kullanılabilmektedir. Geri yayılım ağında hatalar, ileri besleme aktarım işlevinin türevi tarafından, ileri besleme mekanizması içinde kullanılan aynı bağlantılar aracılığıyla, geriye doğru yayılmaktadır. Öğrenme işlemi, bu ağda basit çift yönlü hafıza birleştirmeye dayanmaktadır [11]. Hatayı geriye yayma algoritmasının işlem sırası kısaca aşağıdaki gibi verilebilir. Her bir nöronun çıkış değeri hesaplanır. n yi = f ( wi xi + b) (1) i= 1 47

4 Ö. KELEŞOĞLU, A. FIRA Burada w sinir ağının ağırlık matrisi, x giriş değerleri matrisi, b ise ağın bias değeridir. İstenen çıkış i i değeri ile ağdan elde edilen çıkış değeri karşılaştırılır ve varsa ağın hatası 1 E = ( d i ) 2 i y (2) 2 denklemi ile hesaplanır. Burada d i ağdan istenen çıkış değeri, y i ise ağdan elde edilen çıkış değeridir. η öğrenme oranı, δ i i. nöronun hata değeri olmak üzere her bir katmandaki ağırlıkların değişimleri belirlenir. w i = η.δ i. yi (3) Daha sonra bu değerlere göre ağırlıkların güncellemesi yapılır. yeni eski wi = wi + wi (4) Hata verilen uygun değere yaklaşana kadar bu adımlar tekrar edilir. 3. ÜP SİSEMLERİN ANALİZİ 3.1. Dönen Halkanın Gerilme Analizi O merkezi boyunca ω rad/sn açısal hız ile döndürülen dairesel bir ince halka, Şekil 2 de görüldüğü gibi dışarıya doğru etki eden bir atalet kuvvetine maruzdur. Halkanın Merkez ile θ açısı yapan bir AB yayı için ρ malzemenin yoğunluğu ve A halkanın kesit alanı ise atalet kuvveti F = ρθaω 2 r 2 (5) o A r B A θ Alan F B F θ Şekil 2. Dönen ince halka, kesiti ve kuvvet diyagramı Şekil 2 de görülen elemana etki eden F atalet kuvveti etkisinde halkanın A ve B noktalarında oluşan kuvvetleri ile dengelenir. Kuvvet diyagramından, θ nin küçük olduğu durumda: = ρaω 2 r 2 elde edilir. (6) σ, den dolayı oluşan gerilme ise 48

5 İNCE CİDARLI ÜP SİSEMLERİN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE ANALİZİ = ρω r ρυ (7) σ = Burada υ doğrusal hız, ortalama yarıçap r dır İnce üpün Burulma Analizi Şekil 3 de gösterilen ince tüpün yarıçapı r ve et kalınlığı t dir. üpün her iki ucuna burulma momenti uygulanırsa, uçlar rölatif olarak burulur. üp eksenine paralel olan AB, döndürülerek AB konumunu alır. OB yarıçapı yine doğru olarak kalır ve küçük θ açısı dönerek OB konumunu alır. Şekil 3. üp sistem B I θ ϕ B A üpün kesit alanındaki kayma kuvveti F = (8) r bu kuvvet, ince tüpün et payı (t) küçük olursa, kalınlık üzerinde kayma gerilmesi τ = 2 2πr t dir. (9) Kayma modülü τ = G ϕ ve rθ ϕ = (10) l 4. UYGULAMALAR 4.1. Sayısal Uygulama-I Bu uygulamada, dönen ince silindirik bir borudaki maksimum gerilmeyi YSA kullanarak analiz edeceğiz. Problemde borunun ortalama yarıçapı 3 mm, dakikada yaptığı devir sayısı devir/dakika ve çeliğin yoğunluğu 7.8 Mg/m 3 dir. Problem için geri yayılımlı yapay sinir ağı kullanılmıştır. Bu ağda 1 giriş katmanı, 1 ara katman ve 1 çıkış katmanı kullanılmıştır. Girdi katmanında üç işlem elamanı bulunmaktadır: a) Borunun ortalama yarıçapı (m) 49

6 Ö. KELEŞOĞLU, A. FIRA b) Borudaki çeliğin yoğunluğu (Kg/m 3 ) c) Borunun yaptığı devir sayısı (rad/s) Ara katmanda 10 adet yapay nöron kullanılmıştır. Ağın çıkışı ise borudaki maksimum gerilmedir (Şekil 4). r ρ σ ω Şekil 4. İnce silindirik boru için kullanılan yapay sinir ağı Ağın girdi elemanlarına çeşitli değerler verilerek oluşturulan eğitim setinde 30 adet örnek bulunmaktadır. Örneklerdeki giriş ve çıkış değerleri normalize edilerek ağa sunulmuştur. Çizelge 1 de görüleceği üzere çeşitli ağ yapıları ve öğrenme oranları denenerek en hassas sonuç elde edilmeye çalışılmıştır. Yapılan denemeler sonucunda 10 nörondan oluşan bir ara katman uygun görülmüş ve öğrenme oranı 0.80 alındığında ağ daha uygun sonuçlar vermiştir. Çizelge 1: Ağ yapısı ve öğrenme oranının deneme yoluyla bulunması Ağ yapısı Öğrenme oranı Hata yüzdesi Aktivasyon fonksiyonu olarak sigmoid fonksiyonu kullanılmıştır. Ağın eğitilmesi için öğrenme tipi olarak danışmanlı öğrenme uygulanmıştır. Bu öğrenme yöntemi, bütün işleme elemanlarının anlık hatalarını en aza indirmeye çalışır. Bu hata azaltma işlemi, kabul edilebilir doğruluğa ulaşana kadar ağırlıklar devamlı olarak derlenir. Bu parametreler Matlab 5.3 de geliştirilen programa sunularak ağ eğitilir. Eğitim setinin ilk 10 örneği çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2. İnce silindirik boru için hazırlanan eğitim seti 50

7 İNCE CİDARLI ÜP SİSEMLERİN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE ANALİZİ Örnek r (m) ρ (kg/m 3 ) ω (rad/s) σ (MN/m 2 ) Ağın eğitimi tamamlandıktan sonra eğitim setindeki örneklerden tamamen farklı değerler kullanılarak ağın performansı test edilmiştir. est setinde 8 adet örnek kullanılmış ve sonuçlar Çizelge 3 de karşılaştırılmıştır. Çizelge 3. Silindirik boru için verilen test seti Giriş Çıkış est No σ (MN/m 2 ) r (m) ρ (kg/m 3 ) ω (rad/s) Sayısal Sonuç YSA Yapay sinir ağını eğittikten ve test ettikten sonra; problem için verilen değerler ağa sunulursa elde edilen gerilme değeri MN/m 2 olarak bulunur. Bu problemin J. Hannah ve M. J. Hillier tarafından çözülmesi sonucunda elde edilen gerilme değeri ise 193 MN/m 2 dir [12]. Gerek test setinden elde edilen sonuçlar ve gerekse problemin gerçek değerlerinden elde edilen sonuç göz önüne alındığında ağın yeterli hassasiyette sonuçlar bulduğu görülür Sayısal Uygulama-II Bu uygulamada, ince silindirik bir tüpün burulma açısını YSA ile analiz edeceğiz. Uygulama için kullanılan değerler; silindirik tüpün çapı 25 mm, kalınlığı 1.5 mm, uzunluğu 300 mm dir. Müsaade edilebilir kayma gerilmesi 35 N/mm 2 ve malzemenin kayma modülü 80 kn/mm 2 dir. Problem için geri yayılımlı yapay sinir ağı kullanılmıştır. Bu ağda 1 giriş katmanı, 1 ara katman ve 1 çıkış katmanı kullanılmıştır (Şekil 5). Girdi katmanında dört işlem elamanı bulunmaktadır: a) Silindirik tüpün çapı (r, mm) 51

8 Ö. KELEŞOĞLU, A. FIRA b) Silindirik tüpün uzunluğu (l, mm) c) Müsaade edilebilir kayma gerilmesi (τ, N/mm 2 ) d) Malzemenin kayma modülü (G, N/mm 2 ) Ara katmanda 8 adet yapay nöron kullanılmıştır. Ağın çıkışı ise bu giriş değerlerine maruz kalan silindirik tüpün burulma açısıdır. r l G θ τ τ Şekil 5. İnce silindirik tüp için oluşturulan YSA modeli Girdi elemanlarına çeşitli değerler verilerek oluşturulan eğitim setinde 40 adet örnek bulunmaktadır. Örneklerdeki giriş ve çıkış değerleri normalize edilerek ağa sunulmuştur. Çizelge 4: Ağ yapısı ve öğrenme oranının deneme yoluyla bulunması Ağ yapısı Öğrenme oranı Hata yüzdesi Çizelge 4 de görüleceği üzere çeşitli ağ yapıları ve öğrenme oranları denenerek en hassas sonuç elde edilmeye çalışılmıştır. Yapılan denemeler sonucunda 8 nörondan oluşan bir ara katman uygun görülmüş ve öğrenme oranı 0.40 alındığında ağ daha uygun sonuçlar vermiştir. Aktivasyon fonksiyonu olarak sigmoid fonksiyonu kullanılmıştır. Öğrenme tipi olarak danışmanlı öğrenme uygulanmıştır. Eğitim setinin ilk 10 örneği çizelge 5 de verilmiştir 52

9 İNCE CİDARLI ÜP SİSEMLERİN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE ANALİZİ Çizelge 5. Silindirik tüp için hazırlanan eğitim seti Örnek No r (mm) l (mm) G (N/mm 2 ) τ (N/mm 2 ) θ (rad) Ağın eğitimi tamamlandıktan sonra ağın performansını test etmek amacıyla eğitim setinde kullanılmayan farklı örnekler ağa sunulmuş ve elde edilen sonuçlar çizelge 6 da karşılaştırılmıştır. Çizelge 6. Silindirik tüpün test seti Giriş Çıkış θ r l G τ est No Sayısal Sonuç YSA Yapay sinir ağını eğittikten ve test ettikten sonra bu uygulamada kullanılan değerleri ağa verdiğimizde sonuç (rad) bulunmuştur. Bu problemin J. Hannah ve M. J. Hillier tarafından çözülmesi sonucunda elde edilen sonuç ise (rad) dır [12]. est setinden elde edilen sonuçlar ile problemin gerçek sonucu göz önüne alındığında ağın yeterli hassasiyette sonuçlar bulduğu görülür Performance is e-028, Goal is 1e Performance is e-031, Goal is 1e raining-blue Goal-Black raining-blue Goal-Black Epochs Epochs Şekil 6.a. İnce silindirik boru için kullanılan yapay sinir ağının iterasyona bağlı olarak hata değişimi Şekil 6.b. İnce silindirik tüp için oluşturulan yapay sinir ağının iterasyona bağlı olarak hata değişimi 53

10 Ö. KELEŞOĞLU, A. FIRA 5. SONUÇLAR Bilgi sınıflama ve bilgi yorumlamanın da içinde bulunduğu çok değişik problemlerin çözümünde kullanılan yapay sinir ağları; iş hayatı, finans, endüstri, eğitim ve mühendislik alanlarında varolan yöntemlerin yerine veya doğrusal olmayan sistemlerde de başarıyla uygulanmaktadır. Yapay sinir ağlarının problemlere yaklaşımı insan zekası gibi edinilen tecrübeye bağlıdır. Yapay sinir ağları insanlar gibi örneklerle eğitildikleri için eğitim sırasında yeterli sayıda veri grubunun kullanılması ile çok iyi sonuçlar elde edilmektedir. Bu çalışmada ince cidarlı tüp sistemlerin analizi yapay sinir ağları kullanılarak sunulmuştur. Hem test sonuçları hem de problemlerin sonuçları ışığında yapay sinir ağlarının yeterli hassasiyette sonuçlar elde ettiği söylenebilir. Gerek bu çalışmadan elde edilen sonuçlar gerekse daha önce yapılmış olan çalışmalardan elde edilen sonuçlar dikkate alındığında yapay zekanın alt kollarından biri olan yapay sinir ağlarının mühendislik problemlerinde başarılı sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Yapay sinir ağları mühendislik problemlerinin çözümlerine alternatif bir metot olma yolunda önemli adımlar atmıştır. KAYNAKLAR [1] Öztemel, E., Yapay Sinir Ağları, Papatya Yayıncılık, İstanbul, [2] Alexander, I., Morton I, An Introduction o Neural Computing, International homson Computer Press, [3] Kang, H.., Yoon, C.J., Neural Network Approaches to Simple russ Design Problems, Microcomputers in Civil Engineering, Vol 9, , [4] Arslan, A., İnce, R., he Neural Network Based Design of Edge Supported Reinforced Concrete Slabs, Artificial Intelligence and Object Oriented Approaches for Structural Engineering, 91-97, Scotland, [5] Ghaboussi, J., Lin, C.C., New Method of Generating Spectrum Compatible Accelerograms Using Neural Network, Earthquake Engineering and Structural Dinamics, , [6] Vanluchene, R.D., Roufei, S. Neural Network in Structural Engineering, Micro Comp. in Civil Engineering, , [7] Ghaboussi, J., Garett, J.H., Wu, X, Knowledge-Based Modeling of Material Behavior with Neural Networks, ASCE Journal of Engineering Mech., Vol 117, , [8] Keleşoğlu, Ö., Ekinci, C.E., Fırat, A., Yalıtım Hesaplarında Yapay Sinir Ağlarının Kullanımı, Sigma Dergisi, 3, 58-66, [9] Keleşoğlu, Ö., Fırat, A., uğla Duvardaki ve esisattaki Isı Kaybının Yapay Sinir Ağları İle Belirlenmesi, Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi 18(1), , [10] Fırat, A., Yapay Sinir Ağları ile Yapısal Sistemlerin Analizi, Yüksek Lisans ezi, Fırat Üniversitesi, Elazığ, [11] Elmas, Ç., Yapay Sinir Ağları, Seçkin Yayıncılık, Ankara, [12] Hannah, J., Hillier, M.J., Applied Mechanics, Pearson Education Limited Edinburgh Gate, Harlow Essex CM20 2JE, England,