Geri Dön

An alternative approach to analysis of variable stiffness laminates and their optimization

Değişken rijitlikli katmanlı kompozitlerin analizi ve eniyilemesi için alternatif bir yaklaşım

PDF İndir

  1. Tez No: 1010862
  2. Yazar: FERİT NİHAT ADAM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Havacılık endüstrisinde yapısal sistemlerin hem hafiflik hem de dayanım kriterlerini aynı anda karşılaması temel bir gerekliliktir. Kompozit malzemeler, yüksek mukavemet/ağırlık ve rijitlik/ağırlık oranları sayesinde geleneksel metalik malzemelere kıyasla önemli avantajlar sunar. Sivil havacılıkta ağırlığın azaltılması; yakıt tüketiminin ve işletme maliyetlerinin düşmesine, çevresel etkinin azalmasına ve operasyonel verimliliğin artmasına doğrudan katkı sağlar. Askeri platformlarda ise yapısal ağırlıktan sağlanan kazanımlar; daha yüksek faydalı yük kapasitesi, menzil ve görev esnekliği gibi performans göstergelerine dönüşebilir. Ancak bu kazanımların sürdürülebilir şekilde elde edilebilmesi, kompozit yapıların yalnızca malzeme seçiminde değil, tasarım ve optimizasyon stratejilerinde de dikkatli bir şekilde ele alınmasını gerektirir. Kompozit yapıların tasarım süreçleri, metalik yapılara göre daha kapsamlı ve çok boyutludur. Metallerde görece basit kalınlık optimizasyonlarıyla anlamlı kazanımlar elde edilebilirken, kompozitlerde fiber yönelimi, katman dizilim sırası, malzeme anizotropisi, yerel rijitlik dağılımı ve üretim kısıtları gibi çok sayıda parametre aynı anda yönetilmelidir. Bu çok parametreli yapı, tasarım özgürlüğünü artırmakla birlikte analiz ve karar süreçlerinin daha sistematik yürütülmesini zorunlu kılar. Laminat kompozit plaklar, fiber yerleştirme stratejilerine bağlı olarak iki temel sınıfta incelenir. İlk grupta yer alan sabit açılı (constant stiffness) laminatlar, her bir katmanda fiberlerin panel boyunca tek ve sabit bir yönde yerleştirildiği yapılardır. Fiber açıları konuma göre değişmediği için panelin etkili mekanik özellikleri yüzey boyunca homojen bir dağılım gösterir. İkinci grupta ise değişken açılı veya değişken rijitlikli (variable stiffness) paneller bulunur. Bu yapılarda fiber yönelimleri tek bir katman içinde konuma bağlı olarak değişebilir; böylece panel üzerinde istenen bölgelerde farklı rijitlik alanları oluşturmak mümkün hâle gelir ve tasarımcıya daha esnek bir fiber mimarisi sunulur. Sabit açılı laminatlar üzerine yapılan çalışmalar, fiber açı dizilimlerinin optimize edilmesi yoluyla yapısal performansta belirli bir seviyeye kadar iyileştirme sağlamıştır. Bu yaklaşım uzun yıllar kompozit tasarımının temelini oluşturmuş ve pek çok uygulamada yeterli performans sunmuştur. Ancak fiber açıları panel boyunca sabit kaldığı için, malzeme özelliklerinin konuma bağlı olarak değişmesine imkân tanımaz. Karmaşık yük durumlarında veya yerel performans gerektiren bölgelerde sabit açılı tasarımların sağlayabileceği iyileştirmeler doğal bir sınırla karşılaşabilir. Tek bir katman içinde fiber yönelimlerinin değiştirilebildiği değişken rijitlikli paneller, panel üzerinde farklı malzeme özelliği dağılımlarının oluşturulabilmesi sayesinde daha gelişmiş tasarım alternatifleri sunar. Bu yaklaşımın sabit açılı laminatlara kıyasla daha geniş bir tasarım alanı sağlaması, özellikle yük yollarının panel üzerinde konuma göre değiştiği uygulamalarda daha verimli çözümlerin elde edilmesine olanak tanır. Temel amaç; küresel ve yerel cevapları birlikte iyileştirebilecek şekilde rijitlik alanlarının ve fiber mimarisinin mekânsal olarak uyarlanmasıdır. Böylece burkulma dayanımı gibi stabilite odaklı performans metriklerinde daha dengeli ve yüksek kapasiteli çözümler elde edilebilir. Değişken rijitlikli laminatların pratiğe taşınmasında en belirleyici unsur, Otomatik Elyaf Yerleştirme (Automated Fiber Placement, AFP) teknolojilerindeki gelişmelerdir. AFP'nin sağladığı tow steering kabiliyeti sayesinde fiber şeritleri tabaka içinde kontrollü olarak eğrisel yollar izleyebilir; bu da fiber açısının konumla birlikte değiştirilebilmesine olanak tanır. Üretim tekrarlanabilirliği, yerleştirme hassasiyeti ve katmanlar arası tutarlılık gibi metriklerde kaydedilen ilerlemeler, teorik olarak öngörülen değişken rijitlik mimarilerinin endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğini artırmıştır. Bununla birlikte AFP süreçleri; minimum eğrilik yarıçapı, boşluk (gap) ve bindirme (overlap) yönetimi, buruşma (wrinkling) riskleri gibi pratik kısıtları da beraberinde getirir. Bu nedenle elde edilecek performans kazanımlarının tasarım aşamasında dikkatle değerlendirilmesi gerekir. Değişken rijitlik yaklaşımı, panel üzerinde konumsal rijitlik gradyanları tasarlamaya imkân verirken; fiber açısındaki yerel bir değişim laminatın etkili rijitlik özelliklerini ve buna bağlı yük transfer yollarını doğrudan etkileyebilir. Dolayısıyla küresel cevaplar, örneğin ilk burkulma modu ve özdeğeri, bu değişimlerden önemli ölçüde etkilenir. Bu karşılıklı etkileşim çoğu durumda yinelemeli bir tasarım mantığını gerektirir. Bu çalışma, sabit açılı tasarımların sunduğu kazanımları korurken değişken rijitlikli panellerin panel üzerinde farklı rijitlik dağılımları oluşturabilme potansiyelinden yararlanarak belirli yükleme ve sınır koşulları altında stabilite performansının iyileştirilmesine yönelik bir yaklaşım sunmayı amaçlamaktadır. Yaklaşım, tasarım serbestisini korurken üretilebilirlik ve analiz düzenliliği açısından uygulanabilir bir yol izlemeyi hedefler. Bu çalışmada kullanılan sonlu eleman modeli, panel geometrisinin ve yükleme koşullarının kolayca güncellenebildiği, iteratif tasarım denemeleri için uygun bir yapı oluşturacak şekilde kurgulanmıştır. Modelin en önemli özelliklerinden biri, farklı fiber açı dağılımlarına sahip katmanların herhangi bir ek pre-processora ihtiyaç duyulmadan otomatik olarak oluşturulabilmesidir. Bu sayede hem parametrik çalışmalar hem de optimizasyon sürecinde gerekli olan çok sayıda varyasyon hızlı ve tutarlı bir şekilde modellenebilmiştir. Panel, değişken fiber açılarına izin veren bir laminat mimarisi üzerinden modellenmiş ve fiber yönelimi panel yüzeyi boyunca sürekli bir fonksiyonla ifade edilmiştir. Bu yaklaşım, analiz düzenliliğini korurken tasarım alanının kontrollü bir şekilde genişletilmesine olanak tanır. Burkulma davranışının değerlendirilmesi için lineer özdeğer burkulma analizi kullanılmış; panelin ilk pozitif burkulma modu ve buna karşılık gelen kritik yük değeri elde edilmiştir. Analizlerde literatürde yaygın olarak kullanılan dört düğümlü quad elemanlar tercih edilmiştir. Ayrıca, sonuçların güvenilirliğini artırmak ve gereksiz hesaplama yükü oluşturmadan tutarlı bir çözüm elde etmek amacıyla eleman boyutu çalışması yapılmış ve uygun eleman boyutu bu çalışma sonucunda belirlenmiştir. Optimizasyon aşamasında tasarım değişkenleri, fiber açı dağılımını tanımlayan fonksiyon parametreleri üzerinden belirlenmiştir. Bu yöntem, tasarım alanını yönetilebilir tutarken farklı fiber mimarilerinin sistematik biçimde değerlendirilmesine imkân verir. AFP süreçlerine özgü minimum eğrilik yarıçapı gibi üretim kısıtları bu çalışmada doğrudan modellenmemiş olsa da, fiber yerleşiminde overlap oluşmayacak şekilde tam boşluklu bir yerleşim stratejisi benimsenmiş ve boşlukların panel davranışına etkisi ayrıca değerlendirilmiştir. Boşluk miktarı bir optimizasyon parametresi olarak ele alınmamış, ancak tasarım fonksiyonlarının bu tür sınırlamalara olan hassasiyeti incelenmiştir. Farklı problemler için farklı optimizasyon algoritmalarının değişen performanslar gösterebilmesi nedeniyle, bu çalışmada iki ayrı optimizasyon algoritması değerlendirilmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Amaç fonksiyonu, panelin kritik burkulma yükünü maksimize etmek olarak tanımlanmış ve stabilite performansını artırmaya yönelik bir arama yapılmıştır. Optimizasyon uygulamaları sırasında tasarım değişkenleri için makul sınırlar ve düzenlileştirici terimler kullanılmıştır; bu, hem fiziksel olarak uygulanabilir fiber açı aralıklarının korunmasını hem de çözümün yüzey boyunca aşırı dalgalanmasını engellemeyi amaçlamıştır. Hesaplama bütçesi ve konverjans kriterleri önceden tanımlanmış; her bir optimizasyon çalışması için maksimum iterasyon sayısı, amaç fonksiyonundaki göreli iyileşme eşiği ve hesaplama zamanı göz önünde bulundurularak durma koşulları belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, optimizasyonun stabiliteye yönelik hedefini doğrudan yansıtan şekilde özdeğerler üzerinden değerlendirilmiştir; optimizasyon süreçleri sonucunda kritik özdeğerlerdeki göreli değişimler raporlanmış ve bu değişimler referans sabit açılı laminatlarla karşılaştırılmıştır. Optimizasyon sonucunda burkulma yükünde sabit açılı referanslara kıyasla önemli ölçüde iyileşme sağlanmıştır; bu iyileşme farklı yükleme koşulları ve tekrarlı çalıştırmalarda tutarlı biçimde gözlemlenmiştir. Elde edilen bulgular, tanımlanan sayısal çerçeve altında değişken rijitlikli laminatların stabilite performansını artırma potansiyelini ortaya koymakta olup, yöntemin geliştirilmesine yönelik olası araştırma başlıkları gelecekteki çalışmalar için önerilmiştir.

Özet (Çeviri)

Composite materials are widely used in the aerospace industry due to their high strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios. Their anisotropic nature allows structural designers to align material properties with preferred load paths, enabling lightweight and efficient structural components. Traditional composite design approaches have focused on laminates with constant fiber orientations in each ply, where stacking sequence optimization can provide meaningful performance improvements. However, the development of Automated Fiber Placement (AFP) technology has enabled the manufacturing of laminates with fiber orientations that vary continuously within a single layer. This capability has expanded the design space and created new opportunities for tailoring stiffness distributions across a panel. Variable-stiffness laminates differ from constant-stiffness laminates in that fiber angles can change as a function of position within a ply. This allows the designer to create spatial stiffness gradients and adapt the laminate architecture to local and global load paths. While constant-stiffness laminates provide homogeneous mechanical properties, they can not exploit location-dependent stiffness tailoring, which limits their effectiveness in complex loading conditions. Variable-stiffness laminates, on the other hand, offer the potential for improved structural performance, particularly in stability-driven problems such as buckling, by enabling more efficient load redistribution. The practical use of variable-stiffness laminates has been supported by advancements in AFP machines, which allow fiber tows to follow controlled curvilinear paths with high placement accuracy and repeatability. Although AFP provides the necessary manufacturing capability, it also introduces constraints such as minimum steering radius, gap and overlap formation, and potential wrinkling. These factors must be considered during the design process. In addition, the relationship between fiber orientation, stiffness distribution, and load paths creates a coupled design environment. When fiber angles are modified, both stiffness and load paths change simultaneously, making it difficult to determine optimal fiber orientations in a single step. As a result, an iterative design and analysis approach becomes necessary. This study aims to develop an alternative finite element (FE) modeling and optimization framework to support the design of variable-stiffness laminates while reducing manual modeling effort. The approach focuses on generating FE models automatically, evaluating their buckling performance, and optimizing fiber angle distributions under selected loading and boundary conditions. The goal is to provide a practical and efficient workflow that supports iterative design exploration. Scripts were developed to automatically generate FE models with user-defined parameters such as plate dimensions, mesh density, fiber angle distributions, and material properties. These models can be created with minimal or no pre-processor usage, depending on the complexity of the boundary conditions and loading. The FE model format is compatible with both Nastran and OptiStruct solvers. The laminate is modeled using continuous fiber angle functions, allowing smooth variation of fiber orientation across the panel surface. This representation maintains analytical consistency while expanding the design space. Buckling performance is evaluated using linear eigenvalue buckling analysis. The first positive buckling mode and its corresponding eigenvalue are extracted from the solver output. Four-node quadrilateral shell elements, commonly used in composite buckling studies, are employed. A mesh size study is conducted to determine an element size that provides accurate results without unnecessary computational cost. In the optimization stage, the design variables are defined through the parameters of the fiber angle distribution function. This formulation keeps the number of design variables manageable while allowing systematic evaluation of different fiber architectures. AFP specific manufacturing constraints are not modeled in detail; however, the framework allows the user to impose simple limits on the fiber angle function- such as restricting the difference between parameters t0 and t1- to maintain reasonable steering behavior. A full gap placement strategy is used in the FE model to avoid overlaps, and the effect of these gaps on the structural response is evaluated. Two different optimization algorithms are implemented and compared to evaluate their performance for the problem at hand. The objective function is defined as the maximization of the critical buckling load. Bounds and regularization terms are applied to the design variables to maintain physically meaningful fiber angles and prevent excessive spatial oscillations. Stopping criteria are based on computational budget, maximum iteration count, and relative improvement thresholds. The optimization process is fully automated. After each iteration, the FE model is regenerated, the buckling analysis is executed, and the eigenvalues are extracted from the“*.h5”output file. The input parameters and results of each iteration are recorded in a history file, enabling traceability and post-processing. For the selected plate geometry, boundary conditions, and loading configurations - including longitudinal, lateral, and biaxial compression- an improvement of more than 28% in the first buckling mode eigenvalue is achieved compared to constant-stiffness reference laminates. These improvements are consistently observed across different loading cases and repeated optimization runs. The results demonstrate that variable-stiffness laminates can provide significant gains in buckling performance within the numerical framework developed in this study.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    992546

    Yüksek hızlı kütlesel rotorlu asenkron motorlarda rotor başarımının artırılmasına yönelik katkılar

    Contributions to performance enhancement of rotors inhigh-speed solid-rotor induction motors

    MAHMUT ABACI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE

  2. Tez No

    142753

    Large thermal deflection and vibration analysis of laminated composite plates pertially embedded with shape meemory alloys

    Şekil bellek alaşımlarının kısmi olarak gömülü olduğu katmanlı kompozit plakalarda büyük ısısal çökme ve titreşim analizi

    MÜCAHİD KARADAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2003

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN

    PROF. DR. CHUH MEI

  3. Tez No

    737021

    Değişken açılı elyaf kompozitlerin uygulanabilirlik açısından yeni bir tasarım yaklaşımı ve diferansiyel evrim ile burkulma yükü optimizasyonu

    A novel approach to optimize buckling load for variable angle fiber composites in terms of viability using differential evolution

    UMUT BEYAZGÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET BALKAN

    PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU

  4. Tez No

    638997

    Sürekli parametreli çerçevelerin tek değişkenli kayma deformasyon teorisi ve dinamik rijitlik metodu kullanılarak serbest titreşim ve harmonik tepki analizleri

    Free vibration and harmonic response analyses of continuous parameter frames by using single variable shear deformation theory and dynamic stiffness method

    BARAN BOZYİĞİT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    İnşaat MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUSUF YEŞİLCE

  5. Tez No

    960659

    Moment aktaran I-Enkesitli kiriş – zayıf eksen H-Enkesitli kolon birleşimlerinin tekrarlı yükler altında doğrusal olmayan davranışı

    Nonlinear behavior of moment-resisting I-Beam – to – weak axis H-Column connections subjected to cyclic loading

    KUTAY KUTSAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER

Geri Dön