Geri Dön

Experimental and numerical studies on low velocity impact behavior of Glare panels

Glare panellerde düşük hızlı darbe direnci davranışının deneysel ve nümerik olarak incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 775917
  2. Yazar: OĞUZHAN MAZI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  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: 127

Özet

Havacılık sektörü, hava aracı ağırlıkları ve dayanım kapasiteleri bakımından her zaman daha iyiye ulaşma amacını taşımaktadır. Yüksek kar elde edebilmek, sektörün başlıca önceliklerinden olduğundan; daha dayanıklı ve daha hafif yapısal parçaları üretebilmek için sürekli yeni malzemeler araştırılmaktadır. Karbon fiber malzemeler son zamanlarda havacılık yapısallarında sıklıkla kullanılmakta ve literatürde bu malzemeler için pek çok araştırma yürütülmektedir. Metalik yapılara göre fazlasıyla avantaja sahip olan karbon kompozitler; yorulma hasarlarının takibi, darbe hasarının tespiti gibi konularda metallere göre dezavantajlı konuma düşebilmektedir. 0.3-0.5 mm kalınlığında ince alüminyum sac parçalar arasına cam elyaflı reçinelerin belirli yönlerde serilmesi ile elde edilen Glare malzemeler, özellikle yorulma ve darbe hasarı dayanımı açısından oldukça umut vaat edici durumdadır. Hollanda Delft Üniversitesinde geliştirilen bu malzeme, yapılan ilk çalışmalara göre alüminyuma oldukça yakın özelliklere sahiptir ancak; kompozit yapısı sebebiyle ihtiyaca göre şekillendirilebilen ve daha hafif bir yapıya imkân vermektedir. Geliştirilen malzeme, endüstride ilk olarak tamir yama parçaları olarak başarılı bir şekilde yer almıştır. Daha sonra Boeing 777 uçağının kargo zemin panellerinde ve Learjet 125 uçağının yapısallarında, Glare malzeme kullanılmıştır. Airbus A380 uçağında gövde panellerinde kullanılmış olan Glare, hava aracına pek çok açıdan avantaj sağlamıştır. Darbe hasarlarının etki ettikleri malzemeye olan etkileri, darbe hasarının enerji seviyesine göre değişkenlik gösterebilmektedir. Yüksek enerji seviyesine sahip çarpışmalar ile düşük enerji seviyeleri sonucu ortaya çıkan hasarlar, farklı etkilere sebep olmaktadır. Hava aracı tasarımı sırasında her bölge için gereksinimler önceden belirlenir ve maruz kalacağı hasar tipine göre yapısal analizler yapılır. Uçakların; imalat ve servis ömürleri boyunca el aleti düşmesi, pistteki yabancı maddelerin çarpması gibi pek çok düşük hızlı darbe hasarına maruz kaldığı bilinmektedir. Bu hasarların etkileri ve gözlemlenebilirliği, hava aracı tasarımı sırasında göz önüne alınması gereken bir tasarım ölçütüdür. Bu tez kapsamında Glare 4A-2/1-0.3 malzemesi, düşük hızlı darbe hasarı açısından detaylı şekilde incelenmiştir. Çalışmalar deneysel çalışmalar ve nümerik çalışmalar olarak iki başlıkta incelenmiştir. Deneysel test çalışmalarının ilk aşamasında, test numunelerinin üretim faaliyetleri tamamlanmıştır. 0/90/0 yönlerinde olacak şekilde, S2/FM94 GFRP malzemesi ve 0.3 mm kalınlığında Al 2024-T3 malzemesi; 100 mm x 150 mm ölçülerinde kesilmiş ve Al/0/90/0/Al dizilimi olacak şekilde birleştirilmiştir. Daha sonra kompozit üretim tekniklerine uygun olarak basınçlı fırınlarda, önceden belirlenmiş sıcaklık ve basınç değerlerinde, kürlenme işlemleri tamamlanmıştır. İmalat süreçlerinin tamamlanmasının ardından, düşük hızlı darbe testleri yapılmıştır. Doğru bir kıyaslama yapabilmek adına, bütün atışlar aynı vurucu ile gerçekleştirilmiştir. Kritik hasar boyutunu belirleyebilmek amacıyla öncelikle, 10J enerji seviyesi ile bir atış yapılmış ve elde edilen hasarın 2.5 mm sınır değerinin altında kaldığı görülmüştür. Sonrasında, 15J enerji seviyesi ile atış yapılmış ve tekrar ölçümler yapılmıştır. Yapılandeğerlendirmeler sonucunda, 14.8J enerji seviyesi nihai olarak belirlenmiştir. Deney kaynaklı hataları azaltmak ve deney sonuçlarının tutarlılığını göstermek amacıyla; altı adet atış, 14.8J enerji seviyesi ile yapılmış ve sonuçlar kaydedilmiştir. Kritik hasar mertebesini belirlemek için yapılan kalibrasyon testleri ve sonrasında kritik enerji seviyesini incelemek adına yapılan doğrulama testleri, sonrasında deneysel çalışmalar tamamlanmıştır. Deneysel test çalışmaları yürütülürken, aynı zamanda Abaqus/Explicit programında testleri doğrulamak ve farklı parametreleri inceleyebilmek amacıyla sonlu elemanlar yöntemi ile nümerik bir model hazırlanmıştır. Malzeme parametreleri, Al 2024-T3 için literatürden bulunmuş; hasar ve plastisite parametreleri, Johnson-Cook metodu ile modele işlenmiştir. Cam elyaf için malzeme özellikleri benzer şekilde literatürden alınmıştır. Hazırlanan modelde üç boyutlu katı elemanlar kullanılmış ve tabakalar arası davranışlar kohesif yüzeyler kullanılarak oluşturulmuştur. Çözüm ağı boyutu olarak 1 mm belirlenmiştir. Vurucu, rijit olarak tanımlanmış ve deneyle uyumlu olacak şekilde ağırlık ve hız bilgileri vurucuya girilmiştir. Sınır şartları, deneyle örtüşecek biçimde ve çevresel olarak ankastre olacak şekilde tanımlanmıştır. Darbe hasarı gibi, kısa sürede gerçekleşen dinamik analizlerin explicit çözücü yardımı ile daha gerçeğe yakın sonuçlar verdiği araştırılmış ve çalışmada da explicit çözücü kullanılmıştır. Abaqus/explicit programı, üç boyutlu elemanlar kullanılarak yapılan modellerde hasar alan elemanların silinmesini desteklememektedir. Bu sebeple çözüm algoritması, bir VUMAT kodu yardımı ile oluşturulmuştur. Kompozit cam elyaf plakalar için hasar kriteri, Hashin Hasar Kriteri olarak belirlenmiş ve bu kod içinde çalıştırılmıştır. Simülasyon çalışmalarının sonuçlarından elde edilen grafikler ve görseller, çalışmada detaylı olarak aktarılmıştır. Test sonuçlarından elde edilen; kuvvet-zaman, yer değiştirme-zaman, hız-zaman ve enerji-zaman grafikleri sonlu elemanlar yöntemi ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Çalışmaların sonuçları kıyaslanmış ve birbirleri ile belirli hata oranları dâhilinde, tutarlı sonuçlar gözlemlenmiştir. Ayrıca deney sonrasında ölçülen göçük derinliği miktarları, nümerik çalışmalar sonucunda elde edilen göçük değerleri ile kıyaslanmıştır. Darbe sonrası yüzeylerde oluşan hasar tipinin, aynı olduğu gözlemlenmiştir. Test numunelerinin iç yapısal hasarını daha iyi görebilmek amacıyla, bir tahribatsız muayene yöntemi kullanılarak hasar boyutu ölçümü yapılmıştır. Yapılan ölçümler ile sonlu eleman modelinden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve oldukça yakın sonuçlar elde edildiği görülmüştür. Deneysel sonuçlar doğrulandıktan sonra oluşturulan sonlu eleman yöntemi modelinin, doğrulanması tamamlanmıştır. Farklı plaka kalınlıklarının, Glare 4A-2/1-0.3 malzemenin darbe dayanımına olan etkisi simülasyon çalışmaları ile incelenmiş ve kalınlık artışı ile birlikte darbe direncinin arttığı görülmüştür. Benzer şekilde; dış katmanlardaki alüminyum lehvaların kalınlıklarının arttırılması ile simülasyon çalışmaları güncellenmiş ve artan dış plaka kalınlığının da darbe direncini arttırdığı gözlemlenmiştir. Farklı vuruş açıları ile darbe simülasyonu tekrarlandığında; vuruş açısı ile oluşan göçük miktarının da doğru orantılı olduğu gözlemlenmiştir. Atış, Glare plakaya paralel hale geldikçe göçük bölgesinin alanı artmış ancak göçük derinliği azalmıştır. Atış, dik açıya yaklaştıkça; darbe hasarının daha kritik hale geldiği gözlemlenmiştir. İncelenen son parametre olarak farklı enerji seviyeleri ile atışlar, sonlu elemanlar modeline yansıtılmıştır. Vurucu kütlesi sabit tutularak değişken hız değerleri ile enerji seviyeleri ayarlanmıştır. Enerji seviyesi arttıkça, oluşan hasar miktarının ve göçük derinliğinin arttığı gözlemlenmiştir. Farklı alüminyum levha kalınlıklarının, vuruş açısının, plaka kalınlığının, vuruş enerjisi seviyesinin ve plaka geometrisinin etkileri; sonlu eleman modeli güncellenerek incelenmiş ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Yapılan bütün denemelerde, Glare plakalarda göçük oluşmuş ancak plakalarda çatlak oluşmamıştır. Yürütülen çalışmalar sonucunda incelenen parametreler değerlendirilmiş ve Glare 4A2/1-0.3 malzemesinin, uçak kabuk yapısı için düşük hızlı darbe direnci açısından kullanımı ile ilgili ön değerlendirmeler yapılmıştır. Plaka kalınlığının artması ile birlikte Alüminyum kalınlığının artışına oranla daha hafif yapılar elde edilmiştir. Artan darbe açısı ile birlikte göçük derinliği artmış ancak hasar oranı azalmıştır. Panel geometrisinin darbe davranışına çok düşük miktarda etkisi bulunmaktadır. Düşük hızlı darbe hasarı göz önüne alındığında, uçak yapısal tasarımı için malzeme seçimi aşamasında geleneksel metalik yapılar ve kompozit yapıların yanı sıra; Glare 4A malzemelerinin de değerlendirilebileceği sonucuna ulaşılmıştır. Son olarak, Glare malzemeler ile ilgili incelenmesi gereken çok fazla konu olduğu belirtilmiş; gelecekte yapılacak araştırma ve çalışmalar için bazı önerilerden söz edilmiştir.

Özet (Çeviri)

The aerospace industry is always striving to improve aircraft efficiency and strength capacities. New materials are constantly being researched in order to produce more durable and lighter structural parts. Glare materials, which are obtained by laying glass fiber resins in certain directions between thin aluminum sheet metal parts, are very promising, especially in terms of fatigue and impact damage resistance. Glare, which was used in the fuselage panels of the Airbus A380 aircraft, has provided many advantages to the aircraft in many respects. It is known that aircraft are subjected to many low-speed impact damages during their manufacturing and service life such as tool drop, impact of foreign objects on the runway. These damages are also a design criteria to be considered during aircraft design. In this thesis, low velocity impact tests were performed on test specimens made of Glare 4A-2/1-0.3 material in accordance with the standards. Calibration tests were performed to determine the critical damage level and then verification tests were performed to examine the critical energy level. At the same time, a numerical model was prepared with the finite element method to verify the tests in Abaqus/Explicit program. In the model, three-dimensional solid elements were used and the interlaminar behavior was created using cohesive surfaces. The solution algorithm of the Abaqus/explicit program was created with the help of a VUMAT code and the damage criterion for composite plates was embedded in this code. The results of the simulation studies were compared with the results of the experimental studies and consistent results were observed within certain error rates. After the numerical results were verified, the finite element models were updated and the effects of various parameters such as plate thickness, energy level, metal thickness and impact angle on low velocity impact damage were investigated. As a result of the studies carried out, the parameters examined were evaluated and preliminary evaluations were made regarding the use of Glare 4A-2/1-0.3 material for aircraft structure in terms of low-velocity impact resistance. Considering the low velocity impact damage, it was concluded that Glare 4A materials can be evaluated in addition to traditional metallic structures and composite structures at the material selection stage for aircraft structural design. The studies concluded that increasing laminate thickness results in more lightweight structures than increasing outer Al thickness. Moreover, considering oblique impact conditions, it was seen that dent depth and panel failure is proportional to the impact perpendicularity. Finally, it was stated that there are many research areas that need to be examined regarding Glare materials. Some suggestions for the future research and studies were mentioned.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    670691

    Deformation behavior of thin walled structures filled with auxetic and non-auxetic core materials

    Ökzetik ve ökzetik olmayan dolgu malzemeli ince cidarlı yapıların deformasyon davranışı

    FATİH USTA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

    PROF. DR. FABRIZIO SCARPA

  2. Tez No

    493608

    Low velocity impact behavior of glass fiber and carbon fiber reinforced composites

    Başlık çevirisi yok

    MOHAMMED MEZHER JABBAR AL-RUBAYE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Makine MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEYNEP GÜL APALAK

  3. Tez No

    826937

    Kompozit palakalarda düşük hızlı darbenin modellenmesi

    Modelling the low velocity impact on composite plates

    MUHSİN ALÇI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP GÜNEŞ

  4. Tez No

    712185

    Kompozit plakalar arasında akışkan bölge içeren yapının düşük hızlı darbe altında etkisi

    The effect of the structure containing fluid region between composite plates under low velocity impact

    ASUTAY ÇETİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiBaşkent Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BEDİ CENK BALÇIK

  5. Tez No

    858100

    Kompozit plakların balistiğinde bazı basitleştirilmiş yaklaşımların sayısal irdelenmesi

    Numerical investigation of some simplified approaches in composite plate ballistics

    UĞUR DOĞAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU

Geri Dön