Towards online defect detection for adhesively bonded aerospace skin-spar interfaces
Havacılık yapılarındaki yapıştırıcı ile birleştirilmiş kabuk-kiriş arayüzeylerinde çevrimiçi hasar tespiti
- Tez No: 1015936
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ KORHAN ŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Mechanical Engineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Havacılık ve uzay yapılarında, birincil yük taşıyıcı elemanlar olan kabuk-kiriş (skin-spar) bileşenlerinin yapısal yapıştırıcılar kullanılarak entegre edilmesi, perçinleme ve cıvatalama gibi geleneksel mekanik birleştirme yöntemlerine kıyasla üstün yapısal verimlilik sunmaktadır. Bu birleştirme stratejisi, yapısal ağırlığı minimize ederek yakıt verimliliğini artırmasının yanı sıra; metalik alaşımlarda yorulma çatlaklarını tetikleyen gerilme tekilliklerini ve kompozit laminatlarda elyaf sürekliliğini bozarak delaminasyona yol açan mikro hasarları elimine etmektedir. Bu çalışma kapsamında, uçak kanat yapılarında kritik bir öneme sahip olan kabuk-kiriş arayüzey davranışları, Kohezif Bölge Modellemesi (Cohesive Zone Modeling - CZM) yaklaşımıyla ele alınmış ve arayüzey mekaniği, Çekme-Ayrılma Yasaları (Traction-Separation Laws) vasıtasıyla temsil edilmiştir. Bu modelleme stratejisi sayesinde,kabuki-kiriş arayüzünün mekanik performansı ve hasar toleransı kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Yapılan ön analizlerde, aerodinamik yüklerin kanat yapısı üzerinde oluşturduğu iç gerilmeler değerlendirilmiş ve arayüzey davranışını domine eden baskın yükleme tipinin eğilme momenti olduğu tespit edilmiştir. Çalışmanın teorik altyapısının oluşturulması aşamasında, öncelikle yapıştırıcı ile birleştirme mekanizmasının teorisi ve uygulama yöntemleri detaylandırılmıştır. Müteakiben, tezin metodolojik omurgasını oluşturan Kırılma Mekaniği prensipleri ve spesifik olarak bu çalışmada esas alınan Doğrusal Elastik Kırılma Mekaniği (DEKM) tanıtılmıştır. Literatürde arayüz hasarını modellemek amacıyla kullanılan yöntemlerin karşılaştırmalı analizinin ardından, bu çalışmada tercih edilen Kohezif Bölge Modelleme yöntemi teorik temelleriyle birlikte açıklanmıştır. Teorik bölüm, yapısal bütünlüğün sürdürülebilirliği açısından kritik olan Yapısal Sağlık İzleme (SHM) sistemlerinin tanıtılmasıyla tamamlanmıştır. Sayısal analizler, ABAQUS sonlu elemanlar platformunda yürütülmüş olup; yapıştırıcı tabakasının doğrusal olmayan davranışı; hasar başlangıcı, yumuşama (softening) ve nihai kopma evrelerini kapsayan çift doğrusal (bilinear) bünye denklemleri ile temsil edilmiştir. Karışık-mod (Mixed-Mode) kırılma davranışını simüle etmek amacıyla, arayüzeye sıfır kalınlıklı kohezif elemanlar yerleştirilmiş; hasar evrimi için literatürde kabul gören enerji tabanlı Benzeggagh-Kenane (B-K) kriteri modele entegre edilmiştir. Sayısal modelin geçerliliği ve kestirim doğruluğu; kırılma mekaniği literatüründe standart olarak kabul edilen Çift Konsol Kiriş (DCB), Uç Çentikli Eğme (ENF) ve Karma Modlu Bükme (MMB) testlerinin simülasyonları ile sağlanmıştır. Bu bağlamda, ilgili test modellerinin deneysel prosedürleri tanıtılmış ve analitik denklemleri sunulmuştur. Modelde kullanılan Kohezif Bölge Modellemesi parametreleri, söz konusu testlerden elde edilen simülasyon sonuçlarının, literatürdeki analitik çözümler ve deneysel verilerle karşılaştırılması suretiyle doğrulanmıştır. Çalışmanın ilk fazında, arayüzey mekaniğinin temel karakteristiğini çözümlemek amacıyla iki boyutlu (2D) düzlem gerilme (plane stress) analizleri gerçekleştirilmiştir.“TIE-Ref”,“CZM-Ref”,“TIE-Cr”ve“CZM-Cr”olarak kodlanan dört farklı senaryo üzerinden; rijit bağlantı (Tie Constraint) ile gerçekçi kohezif davranış (CZM) ve hasarsız referans yapı (Ref) ile çatlaklı yapı (Cr) durumları mukayese edilmiştir. Bu dört farklı konfigürasyonda, kabuk-kiriş arayüz hattı boyunca tanımlanan dört farklı düğüm seti (node set) üzerinden gerilme verileri çekilmiştir. Değerlendirme sürecinde öncelikle, yapısal bütünlüğün korunduğu ve geometrik süreksizliklerin bulunmadığı referans modeller incelenmiştir. Bu kapsamda, ideal rijit bağlantıyı temsil eden TIE-Ref senaryosu ile arayüz esnekliğini simüle eden CZM-Ref senaryosundan elde edilen gerilme verileri karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Referans konfigürasyonların analizini takiben, önceden var olan bir çatlağın gerilme alanı ve dağılım özellikleri üzerindeki etkileri, geometrik süreksizlik içeren TIE-Cr ve CZM-Cr senaryoları üzerinden irdelenmiştir. Söz konusu değerlendirmeler; belirlenen düğüm setlerinden alınan eksenel gerilme ( ), normal gerilme ( ) ve kayma gerilmesi ( ) verileri ışığında gerçekleştirilmiştir. Başlangıç çatlağının etkisini incelemek amacıyla, CZM-Ref ve CZM-Cr konfigürasyonlarının sonuçları süperpoze edilmiş ve en kritik bölgeyi teşkil eden“Node Set - Skin-1”hattı boyunca karşılaştırılmıştır. Elde edilen veriler, ilgili gerilme bileşenlerinin değişim grafikleri vasıtasıyla şematize edilmiştir. Bulgular değerlendirildiğinde; çatlak geometrisinin indüklediği gerilme bozulmalarının lokal bir karakter sergilediği ve çatlak bölgesi boyunca referans davranıştan önemli sapmalara neden olduğu görülmüştür. Buna karşılık, çatlak bölgesinden uzaklaşıldıkça gerilme eğrilerinin referans senaryoya yakınsadığı gözlemlenmiştir. Bu durum, başlangıç çatlağının lokal gerilme alanında belirgin anomaliler yarattığını, ancak yapının uzak alan genel yük transfer mekanizmasını bozmadığını göstermektedir. 2D analiz sonuçları, incelenen yükleme koşullarında yapıda global bir hasarın tetiklenmediğini; ancak yapıya eklenen yapay başlangıç çatlaklarının, gerilme dağılım grafiklerindeki belirgin anomaliler sayesinde tespit edilebilir olduğunu ortaya koymuştur. Çalışmanın ikinci ve daha kapsamlı fazında, analizler üç boyutlu (3D) uzaya taşınmış ve kiriş yapısı gerçekçi bir I-Kiriş topolojisiyle modellenmiştir. Hasar varlığının ve konumunun etkisini incelemek üzere beş durum kurgulanmıştır:“Baseline”,“U-Tip”,“U-Root”,“L-Tip”ve“L-Root”. Bu notasyonda 'U' ve 'L' sırasıyla üst (Upper) ve alt (Lower) arayüzeyleri; 'Tip' ve 'Root' ise hasarın kanat ucu veya kök bölgesindeki konumunu temsil etmektedir. 3 boyutlu simülasyon sonuçlarında, yapıda genel bir eğilme davranışı gözlemlenmiştir. Bu yükleme koşulları altında, kanat üst flanşı basma gerilmelerine, alt flanşı ise çekme gerilmelerine maruz kalmaktadır. Üst yüzeyde oluşan basma gerilmelerinin artarak kritik bir eşik değeri aşmasıyla birlikte, kabuk-kiriş başlığı bölgesinde yerel burkulma başlamıştır. Beklendiği üzere, burkulma başlangıcı, basma gerilmelerinin en yüksek olduğu ankastre sınır koşulları çevresinde yoğunlaşmıştır. Bu burkulma instabilitesi, arayüz boyunca gelişen Mod-I (açılma) ve Mod-II (kayma) modlarının etkileşimiyle karışık modlu bir yükleme davranışı sergileyerek çatlak başlangıcına, ilerlemesine ve nihayetinde bölgede yapısal ayrılmaya neden olmuştur. Buna karşılık, çekme gerilmelerine maruz kalan alt bölümde herhangi bir hasar oluşumu gözlemlenmemiştir. Bu kapsamda, analiz sürecinin ilk aşamasında, yapının hasarsız referans durumunu temsil eden 'Baseline' senaryosuna ait sayısal simülasyon sonuçları sunulmuştur. Yapısal bütünlüğün ve yük aktarım mekanizmalarının değerlendirilmesi; boyuna normal gerilme , düzlem dışı normal gerilme , kayma gerilmesi bileşenlerinin dağılımları üzerinden gerçekleştirilmiştir. Referans konfigürasyonun sergilediği hasar ilerleme mekanizması, kritik bölgelerdeki gerilme yığılmaları dikkate alınarak ayrıntılı bir biçimde irdelenmiştir. Elde edilen bulgular, burkulma instabilitesinin meydana geldiği kök bölgesine yakın lokasyonlarda hasar başlangıcının tetiklendiğini ve çatlak yayılımının bu bölgeden itibaren geliştiğini göstermiştir. Başlayan bu dinamik çatlak cephesi, yükleme adımları boyunca ilerleyerek kabuk ile kiriş arasındaki yapısal sürekliliği bozmuş ve arayüzeyde ayrılmaya sebebiyet vermiştir. Üst yüzey uç kısmına yerleştirilen başlangıç çatlağının varlığında, yapının genel davranışının referans modelle yüksek derecede benzerlik gösterdiği tespit edilmiştir. Çatlak oluşumu yine kök bölgesinde (root) meydana gelirken, uç bölgeye eklenen yapay çatlakta herhangi bir yayılma (propagation) gözlemlenmemiştir. Bu bulgu, birincil yük yollarından ve instabilite bölgelerinden uzakta konumlanan geometrik süreksizliklerin, sistemin genel yapısal davranışını ve nihai hasar kapasitesini sınırlı ölçüde etkilediğini göstermektedir. Daha sonra U-Tip senaryosu yani üst yüzeyde uç kısma yakın bölgeye yerleştirlmiş bir başlangıç çatlağının varlığında yapının sergilediği davranış üzerinden alınan sonuçlar incelenmiştir. Bu senaryoda yapının sergilediği genel davranış referans modelle yüksek derecede benzerlik göstermiştir. Çatlak oluşumu yine kök bölgesinde (root) meydana gelirken, uç bölgeye eklenen yapay çatlakta herhangi bir yayılma gözlemlenmemiştir. Bu bulgu, birincil yük yollarından ve instabilite bölgelerinden uzakta konumlanan geometrik süreksizliklerin, sistemin genel yapısal davranışını ve nihai hasar kapasitesini sınırlı ölçüde etkilediğini göstermektedir. Üç boyutlu analizlerin üçüncü fazında U-Root senaryosu yani üst yüzeyde kök kısma yakın bölgeye yerleştirilmiş bir başlangıç çatlağının varlığında yapının sergilediği davranış üzerinden alınan sonuçlar incelenmiştir. Burkulma davranışının meydana geldiği kök bölgesine yakın konumlandırılan başlangıç çatlağı, en kritik senaryoyu oluşturmuştur. Bu senaryoda, önceden var olan hasar ile yapının kritik bölgesinin çakışması durumunda ortaya çıkan etkiler irdelenmiştir. Yapının genel burkulma davranışı değişmemekle birlikte, hasar mekanizması radikal bir değişim göstermiştir. Yükleme sürecinde eşzamanlı iki hasar mekanizması gözlemlenmiştir: (i) Burkulma kaynaklı oluşan çatlak ve (ii) başlangıç çatlağının burkulma gerilme alanıyla etkileşime girerek hızla yayılması. Elde edilen en temel bulgu; yeni oluşan burkulma kaynaklı çatlak cephesinin, önceden var olan çatlak ile hızla birleşerek (coalescence), çok daha agresif ve birleşik bir hasar cephesi oluşturmasıdır. Bu birleşme neticesinde, çatlak yayılma hızı artmış ve aynı yükleme koşulları altında çok daha geniş bir hasar alanı meydana gelmiştir. Çalışmanın devam aşamasında çekme gerilmesine maruz kalan alt arayüz hattına başlangıç çatlağı yerleştirilen L-Tip ve L-Root senaryoları incelenmiştir. Her iki senaryodan elde edilen sonuçlar da alt arayüze konumlandırılan başlangıç çatlaklarının yapının genel mekanik davranışında veya nihai hasar sürecinde gözlemlenemeyecek kadar küçük bir değişiklik meydana getirdiğini ortaya koymuştur. Bu senaryolardan elde edilen gerilme dağılımları referans modelle tam bir uyum sergilemiştir. Bu durumun temel nedeni, sistemin baskın hasar modunun basma instabilitesine bağlı olarak üst arayüzde meydana gelmesidir. Çalışmanın üçüncü ve son fazında, metodoloji tekil kiriş modelinden daha gerçekçi ve karmaşık bir yapıya, üç kiriş elemanı ile ortak bir üst kabuktan oluşan“Kanat Kutusu”(Wing Box) montajına genişletilmiştir. Önceki aşamalarda elde edilen bulgular, alt arayüzeydeki hasarların yapısal davranış üzerinde ihmal edilebilir bir etkiye sahip olduğunu kanıtladığından, bu fazdaki analizler yalnızca en kritik bölge olan üst arayüzeydeki üç temel senaryoya (WB-Baseline, WB-U-Tip, WB-U-Root) odaklanmıştır. Sayısal simülasyon sonuçları, çok kirişli montajın getirdiği sınır koşullarının ve enine kısıtlamaların instabilite davranışını köklü biçimde değiştirdiğini ortaya koymuştur. Tek kirişli modelde gözlemlenen tek eksenli (uniaxial) boyuna dalga formu, kanat kutusu konfigürasyonunda Poisson etkisinin (kiriş başlıklarının yanal olarak genişleme eğilimi göstererek kabuğu yanal yönde sıkıştırması) devreye girmesiyle kritik ve lokalize olmuş çift eksenli (biaxial) bir burkulma rejimine dönüşmüştür. Meydana gelen bu karmaşık çok eksenli gerilim durumu sebebiyle, yapıda instabilite ve bunu takip eden arayüzey hasar başlangıcı, tek kirişli modellere kıyasla daha düşük deplasman seviyelerinde tetiklenmiştir. Farklı hasar konumlarının incelendiği senaryolarda, uç bölgeye yerleştirilen ön-çatlağın (WB-U-Tip) durağan kaldığı ve yapının genel hasar sürecini etkilemediği görülürken; kök bölgesindeki hasarın (WB-U-Root) yapısal bütünlük için en büyük tehdidi oluşturduğu gerçeği bu karmaşık yapıda da doğrulanmıştır. Spesifik olarak en kritik durum olan WB-U-Root senaryosunda; çift eksenli burkulmanın indüklediği yeni çatlak cephesi ile halihazırda var olan başlangıç çatlağının eşzamanlı olarak ilerleyip hızla birleştiği (coalescence) gözlemlenmiştir. Bu birleşme mekanizması sonucunda, iki bağımsız hasar hattı tek, kesintisiz ve son derece agresif bir ana çatlak cephesine dönüşerek hasar yayılım hızını dramatik ölçüde artırmış ve yapının yük taşıma kapasitesinin tamamen kaybedilmesine yol açan geniş çaplı bir ayrılma ile sonuçlanmıştır. Yürütülen analizlerden elde edilen özgün gerilme dağılımları ve“hasar imzaları”kullanılarak, Yapısal Sağlık İzleme (SHM) sistemleri için optimum sensör yerleşim stratejileri geliştirilmiştir. Birincil yükleme ekseni boyunca meydana gelen boyuna gerilme dağılımındaki değişimlerin izlenmesinin, arayüzde meydana gelen süreksizlikleri genel yapısal tepkiden ayrıştırmada yüksek hassasiyet sağladığı sonucuna varılmıştır. Sensörlerin kabuk veya kiriş üzerine yerleştirilmesi teorik anomali tespiti açısından eşdeğer sonuçlar verse de; üretilebilirlik, montaj kolaylığı ve operasyonel sürdürülebilirlik kriterleri göz önüne alındığında, sensörlerin kiriş üzerine yerleştirilmesi daha uygun görülmüştür. Arayüz genişliği boyunca sensör konumlandırması açısından ise; gerilmelerin daha belirgin olduğu kanat kirişi kenar bölgelerinin, orta bölüme kıyasla hasar tespiti için daha elverişli olduğu belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
In aerospace structures, the integration of primary load-bearing skin-spar components via structural adhesives offers superior structural efficiency compared to traditional mechanical fastening methods such as riveting and bolting. This joining strategy not only enhances fuel efficiency by minimizing structural weight but also mitigates stress singularities that precipitate fatigue cracks in metallic alloys and eliminates micro-damages that compromise fiber continuity, leading to delamination in composite laminates. In this study, the interface mechanics of wing skin-spar assemblies, which are of critical importance to structural integrity, are investigated using the Cohesive Zone Modeling (CZM) approach, with the interface behavior represented by Traction-Separation Laws. Through this modeling strategy, the mechanical performance and damage tolerance of the skin-spar interface have been comprehensively examined. Preliminary analyses of the internal forces generated by aerodynamic loads identified the bending moment as the dominant loading condition governing the interface behavior. Numerical analyses were conducted within the ABAQUS finite element framework, employing a bilinear constitutive law to represent the non-linear behavior of the adhesive layer, encompassing damage initiation, softening, and final failure stages. To simulate Mixed-Mode fracture behavior, zero-thickness cohesive elements were embedded at the interface, and the energy-based Benzeggagh-Kenane (B-K) criterion was integrated into the model for damage evolution. In the initial phase of the study, two-dimensional (2D) plane stress analyses were performed to elucidate the fundamental characteristics of the interface mechanics. Four distinct scenarios—designated as TIE-Ref, CZM-Ref, TIE-Cr, and CZM-Cr—were comparatively evaluated to assess the differences between rigid kinematic constraints (Tie Constraint) and realistic cohesive behavior (CZM), as well as between intact (Ref) and pre-cracked (Cr) structural states. The 2D results indicated that while no catastrophic global failure occurred under the examined loading conditions, the presence of artificial pre-cracks was successfully detected through distinct anomalies in the stress distribution plots. In the second and more comprehensive phase, the analyses were extended to the three-dimensional (3D) domain, with the spar modeled using a realistic I-Beam topology. Five fundamental configurations (Baseline, U-Tip, U-Root, L-Tip, L-Root) were established to examine the effects of damage existence and spatial location. Here, 'U' and 'L' denote the Upper and Lower interfaces, respectively, while 'Tip' and 'Root' indicate the damage location at the wing tip or the root region. The 3D simulation results revealed that local buckling instability, triggered by high axial compressive stresses on the upper wing flange, is the primary driver of the failure mechanism, which evolves through the interaction of Mode-I (opening) and Mode-II (shearing) modes at the interface. Specifically, the damage scenario near the root region (U-Root) was identified as the most critical condition, where the synergistic interaction with buckling-induced geometric nonlinearities accelerates damage propagation and poses the most severe threat to structural integrity. In the third and final phase, the methodology was extended to a more complex“Wing Box”assembly integrating three spar elements with a common upper skin panel. Since earlier findings demonstrated that lower interface damage had negligible effects, the wing box analyses solely focused on three critical upper interface configurations (WB-Baseline, WB-U-Tip, WB-U-Root). The numerical results revealed that transverse constraints within the multi-spar assembly alter the instability behavior, causing a critical transition from a uniaxial longitudinal wave mode to a localized biaxial buckling regime. Due to this complex multiaxial stress state, structural instability and interfacial damage initiation are triggered at significantly lower displacement levels compared to the single-spar models. Furthermore, the WB-U-Root scenario confirmed the severity of root-region defects in complex structures, demonstrating that two independent crack fronts—one induced by biaxial buckling and the other from the initial pre-crack—rapidly coalesce to form a unified, continuous, and highly aggressive damage front. Based on the unique stress distributions and damage signatures obtained from these analyses, optimal sensor placement strategies for Structural Health Monitoring (SHM) systems have been proposed. The validity and predictive accuracy of the numerical model were corroborated through simulations of standard fracture mechanics tests, specifically the Double Cantilever Beam (DCB), End Notched Flexure (ENF), and Mixed Mode Bending (MMB). The Cohesive Zone Modeling approach employed in the model was validated by comparing the results obtained from these simulations with analytical solutions and experimental data available in the literature.
Benzer Tezler
- Sağlık alanında öğrenim gören üniversite öğrencilerinin dopinge ilişkin tutumlarının belirlenmesi
Determining the attitudes of university students studying in health disciplines towards doping
NİMET DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
FizyolojiDokuz Eylül ÜniversitesiFizyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AÇIKGÖZ
- Learning furniture assembly with reinforcement learning
Pekiştirmeli öğrenme ile mobilya montajı öğrenme
ÖZGÜR ASLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN KALKAN
DOÇ. DR. EROL ŞAHİN
- Makine öğrenmesi kullanımı ile taşıt kaynaklı emisyonların modellenmesi
Modeling vehicle-related emissions using machine learning
ELİF YAVUZ
Doktora
Türkçe
2025
Mühendislik BilimleriYıldız Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARSLAN SARAL
PROF. DR. LEVENT KUZU
- APT kaynaklı ataklara karşı dayanıklı etmen tabanlı ve ontolojik veri sızıntısı önleme sistemi
Agent based and ontological data leakage prevention system against advanced persistent threats
EMRAH KAYA
Doktora
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ÖZÇELİK
- Real-time performance diagnosis and evaluation of big data systems in cloud datacenters
Bulut veri merkezlerinde büyük veri sistemlerinin gerçek zamanlı performans teşhisi ve değerlendirilmesi
ÜMİT DEMİRBAGA
Doktora
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolNewcastle UnıversıtyBilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAJIV RANJAN