Geri Dön

Analysis of bird strike on metallic panels

Metalik panellere kuş çarpması analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 807052
  2. Yazar: KENAN ÇAYHAN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET BALKAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: 129

Özet

Bu tez, literatür analizi, istatistiksel analiz ve teorik modellerin bir kombinasyonunu kullanarak kuş çarpması olgusunu incelemektedir. Çalışma, kuş çarpmalarının bir uçağın kanatlar, dengeleyiciler, motorlar ve ön camlar gibi rüzgâra bakan bileşenleri olan çeşitli parçalarına verebileceği potansiyel hasara odaklanmaktadır. Bir kuş çarpmasından kaynaklanan olası sonuçların çeşitliliği, havacılık güvenliği için önemli bir tehdit oluşturur, çünkü kuş çarpmaları, Yabancı Madde Hasarı olaylarının %90'ını oluşturur. Sonuç olarak, havacılık düzenlemeleri, uçakların kritik bileşenler için belirli seviyelerde kuş çarpmasına dayanıklılığı karşılamasını gerektirir ve uçakların uçmanın güvenli kabul edilmesi için karşılaması gereken bir dizi sertifika gerekliliği vardır. Uçaktaki kuş çarpmalarını araştırmak için çalışma, sandviç plakalı kuş çarpması deneylerini simüle etmek için kullanılan Pürüzsüz Parçacık Hidrodinamiği (SPH) modeli dâhil olmak üzere sayısal modeller kullanır. Tez, SPH modelinin, potansiyel kuş çarpmasına dayanıksız parçaları belirleyerek ve etkili önleme tedbirleri geliştirerek havacılık güvenliğini iyileştirmeye yardımcı olabilecek sonlu elemanlar ile kuş çarpması analizleri yapmanın yararlı olabileceği sonucuna varmaktadır. Yeni bir sayısal yaklaşım kullanırken, simülasyonun gerçeği doğru bir şekilde yansıtmasını sağlamak için sonuçları deneysel verilerle karşılaştırmak önemlidir. Birçok araştırma çalışması, simülasyonun gerçek kuş çarpması olaylarına ne kadar iyi karşılık geldiğini anlamak için hem sayısal simülasyonları hem de deneysel verileri içermektedir. Deneysel çalışmalar, geleneksel olarak uçak tasarımcılarına, kuş çarpmalarına dayanacak kadar sağlam yapılar oluşturma konusunda rehberlik etmiştir. Ancak uçak bileşenlerinin daha karmaşık hale gelmesiyle birlikte hem uçuşa elverişli hem de hızlı ve ekonomik olarak üretilebilen uçak parçaları tasarlamak için kuş çarpması simülasyon programlarının geliştirilmesi gerekli hale gelmiştir. Ayrıca, birçok yinelemeli adım içeren optimizasyon sürecince tipik olarak, bilgisayar tabanlı analizleri kullanmak deneylerden daha verimli ve daha ucuzdur. Bununla birlikte, genellikle ölü veya uyuşturulmuş tavuklar olan gerçek kuşlarla deneyler yapmak, bir takım sorunları ortaya çıkarır. Deneylerin tekrarlanabilirliği, araştırmacıların sağlığı ve uygun kuş modellerinin mevcudiyeti endişe vericidir. Gerçek kuş gövdeleri büyük ölçüde değişkenlik gösterir ve tutarlı sonuçlar elde etmeyi zorlaştırır. Sertifikasyon düzenlemeleri kuşun yalnızca kütle özelliklerini tanımlarken, farklı kuş türlerinin farklı yoğunlukları vardır ve bu da testler arasındaki basınç yüklerinde farklılıklara yol açabilir. Bu zorlukların bir sonucu olarak, araştırmacılar gerçek kuşların yerine geçebilecek suni kuş malzemeleri kullanmaya başlamışlardır. Bilgisayar teknolojisindeki gelişmeler, 1980'lerden bu yana daha ucuz ve daha gelişmiş sonlu elemanlar yazılımlarının geliştirilmesine yol açmıştır. Bu, analizlerin düşük maliyeti, hızı ve tekrarlanabilirliği nedeniyle bilim adamlarının kuş çarpmalarını sayısal olarak analiz etmelerine olanak sağlamıştır. Çalışmalarda çeşitli suni kuş modelleri araştırılmış ve sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Simülasyon sonuçlarını deneysel verilerle karşılaştırmak için basit silindir geometrisi hala değerli bir yaklaşımdır. Simülasyonlarda küreler, düz veya yarım küre uçlu silindirler ve elipsoidler gibi farklı geometriler de kullanılabilir. Kuşlara yüksek hızlarda çarpıldığında, davranışları basit bir elastik katıdan farklıdır ve kuş malzemelerinin davranışını hem teorik hem de deneysel olarak incelemek bilim adamlarının ve mühendislerin sorumluluğundadır. Tezde kuş çarpmalarına ilişkin istatistiksel veriler verilmiş ve doğrudan bir kuş çarpmasıyla karşılaşma olasılığı en yüksek olan uçakların öne bakan bileşenlerinin en kritik parçalar olduğu vurgulanmıştır. Bir uçağın en çok darbe alan kısımları gövde, burun, radom, ön cam, kanat, rotor ve jet motorudur. Kuş çarpmalarının yaklaşık %70'i sıfır ile 152 metre arasındaki irtifalarda, özellikle kalkış ve iniş sırasında meydana gelir. Bu bilgi, kuş çarpması kazalarını önlemede yararlıdır. Bir uçağın irtifası arttıkça kuşların doğal yaşam alanları uçağın uzağında kalmış olur. Cismin hızının, darbe sonrasında nasıl tepki vereceği üzerinde önemli bir etkisi vardır. Cismin davranışı, maruz kaldığı iç gerilimlere göre beş kategoriye ayrılabilir: elastik darbe, plastik darbe, hidrodinamik darbe, sonik darbe ve patlayıcı darbe. Elastik darbe, cisim malzemesinin mukavemeti, düşük hızlar ve ivmelerin neden olduğu iç gerilimlerin oldukça üzerinde olduğunda meydana gelir ve cismin yüzeyden geri sekmesiyle sonuçlanır. Çarpma tertibatının hızı arttıkça cisim plastik davranış bölgesine girer, yine de hız sıvı benzeri akış davranışını oluşturamayacak kadar düşüktür, bu da kuşun plakaya paralel her yönde yayılmasına ve yükün daha geniş bir alana genişlemesine neden olur. Kuşun hidrodinamik bölgede hareket etmesine neden olan hızlarda kuş çarpmasının ardındaki teori araştırılır. Çarpmanın ilk hızıyla cisim bir yüzeye çarptığında, rijit levha ile temas halindeki malzemeler hemen duracak ve levhaya normal ve çarpma tertibatı gövdesine doğru hızlı bir şok dalgası üretecektir. İç tarafta şok yük basıncı ve dış tarafta serbest yüzey basıncı olduğundan, dış yüzeyde önemli bir basınç gradyanı oluşur. Yüksek hızlarda darbe alan yumuşak nesneler, düşük hızlardan farklı davranır, öyle ki elastik katılar bile sıvı gibi davranır. Ancak gerçek kuşlarla yapılan testler dağınık veriler verebilir ve bilimsel amaçlarla hayvanları öldürmek etik değildir. Jelatinin, tekdüze özelliklere sahip uygun bir yapay suni malzeme olduğu ve kolay kullanım için silindirler ve küreler gibi basit geometriler halinde şekillendirilebildiği bilinmektedir. Sonlu elemanlar programları, kuş çarpması simülasyonları için çeşitli çözüm yöntemleri sunar. Lagrange yöntemi, malzemeye bağlı düğümleri içerirken, Euler yöntemi, malzemenin içinden aktığı tanımlanmış bir alanda sabit düğümler kullanır. Arbitrary Lagrangian Euler yöntemi, tanımlanan alanın malzeme akışıyla değişmesine izin vererek daha hızlı hesaplama süresine yol açan başka bir seçenektir. Ek olarak, pürüzsüz parçacık hidrodinamiği adı verilen ağsız yöntem, parçacıkların kütle bozulması olmadan serbestçe hareket etmesine izin verir. Bir silindir, yarım küre uçlu bir silindir, bir elipsoid veya bir küre dahil olmak üzere, kuşların çeşitli temel şekilleri kuş çarpması etkileri için incelenebilir. 1.8 kg kütleye ve belirli geometrik parametrelere sahip bir kuş için, kuşun yoğunluğu metreküp başına 900 kilogram olarak belirlenebilir. Tersine, metreküp başına 950 kilogram standart yoğunluk kullanılarak ve kuşun kütlesi girilerek, belirli bir hacim değeri belirlenebilir ve kuşun geometrisini belirtmek için kullanılabilir. Petek malzemeler çok fazla kütle eklemeden yapıya sertlik sağlar. Bu nedenle petekler, uçak endüstrisinde yaygın olarak kullanılan bir tür deforme olabilen malzemelerdir. Referans testlerinde, kuş çarpması altında numune olarak tekli ve çiftli petek sandviç metal plakalar kullanılmıştır. Test sonuçları ile simülasyon sonuçları arasında faydalı olabilecek bir korelasyon kurulmuştur. LS-DYNA'da petek malzemesini modellemenin bir takım zorlukları vardır. İlk olarak petek, kabuk elemanlarla modellenmesi ve simüle etmesi pahalı olan karmaşık bir geometriye sahiptir. Bu nedenle, efektif davranışı homojenleştirilmiş katı elemanlar altında modellenebilir. Ezilmeye kadar olan düzlem dışı gerilme gerinim eğrisi referans olarak verilmiştir. Bu grafik, katı elemanlara bir gerilim gerinim eğrisi olarak eklenebilir. Kuş çarpma tertibatı için parçacık düğümü miktarı ve alüminyum levhalar ve petek parçaları için eleman sayısı bilgisayar gücü ile sınırlıdır. Bu nedenle, kuş materyali için düğüm sayıları genellikle 20519 civarındadır. Simülasyonlar, genellikle deneysel sonuçlara benzer uzamsal yer değiştirme değerleri ve nominal gerinim eğrisi değerleri sağlar. Ancak, sonuçlar arasında hem simülasyonlardaki hem de testlerdeki hatalardan kaynaklanabilecek küçük farklılıklar vardır. Genel olarak, gerinim değerleri her iki simülasyon için de deneysel verilerle uyumludur. Bu nedenle, SPH yöntemi, petek sandviç plakalar üzerindeki kuş çarpmalarını simüle etmek için etkin bir şekilde kullanılabilir. Bu, deneysel çalışmaların, özellikle havacılık araçlarının ilk tasarım aşamasında, zaman alıcı ve maliyetli olabilmesinden dolayı avantajlıdır.

Özet (Çeviri)

This thesis investigates the phenomenon of bird strikes, using a combination of literature analysis, statistical analysis, and theoretical models. The study focuses on the potential damage that bird strikes can cause to various parts of an aircraft, which are wind-facing components such as wings, stabilizers, engines, and windshields. The variety of possible outcomes from a bird strike poses a significant threat to aviation safety, as bird strikes account for 90% of Foreign Object Damage (FOD) incidents. As a result, aviation regulations require aircraft to meet specific levels of bird strike tolerance for critical components, and there are a number of certification requirements that airplanes must meet to be regarded safe to fly. To investigate the bird strikes on aircraft, the study uses numerical models, including the Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) model, which was used to simulate sandwich plate bird impact experiments. The study concludes that the SPH model may be useful for finite element bird strike case analyses, which can help to improve aviation safety by identifying potential vulnerabilities and developing effective prevention measures. When using a new numerical approach, it is important to compare the results to experimental data to ensure that the simulation accurately reflects reality. Many research studies have included both numerical simulations and experimental data to understand how well the simulation corresponds to real-world scenarios. Experimental studies have traditionally guided aircraft designers in creating structures that are tough enough to withstand bird strikes. However, as aircraft components have become more complex, it has become necessary to develop bird strike simulation programs to design aircraft parts that are both airworthy and can be produced quickly and economically. Furthermore, the optimization process typically involves many iterative steps, which makes computer-based analyses more efficient and cheaper than experiments. However, conducting experiments with real birds, which are often dead or drugged chickens, presents a number of issues. The reproducibility of experiments, the health of researchers, and the availability of suitable bird models are all concerns. Real bird torsos vary greatly, making it difficult to obtain consistent results. While certification regulations only define the mass properties of the bird, different bird species have different densities, leading to variations in pressure loads between tests. As a result of these difficulties, researchers have begun using substitute bird materials instead of real birds. Advancements in computer technology have led to the development of cheaper and more advanced finite element software since the 1980s. This has allowed scientists to analyze bird strikes numerically due to the low cost, speed, and repeatability of the analyses. Various substitute bird models have been investigated in studies, and results have been compared with experimental data. The simple cylinder geometry is still a valuable approach to compare simulation results with experimental data. Different geometries such as spheres, cylinders with flat or hemispherical ends, and ellipsoids may also be used in simulations. When birds are struck at high speeds, their behavior is different from that of a simple elastic solid, and it is the responsibility of scientists and engineers to study the behavior of bird materials both theoretically and experimentally. Statistical data related to bird strikes is provided in the thesis, and it is emphasized that front-facing components of aircraft are the most critical as they are most likely to encounter a direct bird strike. The most frequently struck parts of an aircraft are the fuselage, nose, radome, windshield, wing, rotor, and jet engine. Approximately 70% of bird strikes occur at altitudes between zero and 152 meters, which is primarily during takeoff and landing. This information is useful in avoiding bird strike accidents. As the altitude of an aircraft increases, the natural habitats of birds become further from the plane. The velocity of the projectile has a significant impact on how it responds upon impact. The behaviour of the projectile can be divided into five categories based on the internal stresses it experiences: elastic impact, plastic impact, hydrodynamic impact, sonic impact, and explosive impact. Elastic impact occurs when the projectile material strength is well above the internal stresses caused by the low speeds and accelerations, resulting in the projectile bouncing back from the surface. As the impactor velocity increases, the projectile enters the plastic behavior region, yet the velocity is still low enough to maintain fluid-like flow behavior, causing the bird to spread in every direction parallel to the plate, and the load to expand to a larger area. The theory behind bird strike at velocities that cause the bird to act in the hydrodynamic region is investigated. When the impactor with the initial velocity hits a surface, materials in contact with the rigid plate would immediately come to rest, generating a shock wave with velocity normal to the plate and towards the impactor body. There would be a significant pressure gradient at the outer surface because there is shock load pressure on the inner side and free surface pressure on the outer side. Soft objects impacted at high velocities behave differently than at low velocities, such that even elastic solids behave like liquids. However, testing with real birds can yield scattered data and it is not ethical to kill animals for scientific purposes. Gelatine has been found to be a suitable artificial substitute material with uniform characteristics and can be shaped into simple geometries such as cylinders and spheres for easy handling. Finite element programs offer various solution methods for bird strike simulations. Lagrangian method involves nodes attached to the material while Eulerian method uses fixed nodes in a defined space where material flows through it. Arbitrary Lagrangian Eulerian method is another option that allows for the defined space to change with the material flow, leading to faster computation time. Additionally, the meshless method called smooth particle hydrodynamics allows for particles to move freely without mass distortion. Various basic shapes of birds can be examined for bird strike impacts, including a cylinder, a cylinder with hemispherical ends, an ellipsoid, or a sphere. For a bird with a mass of 1.8 kg and specific geometric parameters, the density of the bird can be determined to be 900 kilograms per cubic meter. Conversely, by using a standard density of 950 kilograms per cubic meter and entering the mass of the bird, a specific volume value can be determined and used to specify the bird's geometry. Honeycomb materials provide stiffness to the structure while not adding too much mass. Hence, honeycombs are a kind of deformable shock absorbers that is widely used in the aircraft industry. In the reference tests, they used single and double core honeycomb sandwich metal plates as specimens under bird strike. They made a correlation between test results and simulation results which can be beneficial. Modelling the material of honeycomb in LS-DYNA has a number of challenges. Firstly, honeycomb has a complex geometry which is expensive to model and simulate with shell elements. Therefore, its effective behavior can be modelled under homogenized solid elements. Out of plane stress strain curve up to crushing was given at reference. Which can be inserted as a stress strain curve to the solid elements. Particle node quantity for the bird impactor and element number for the aluminum sheets and honeycomb is limited with the computer power. Therefore, node numbers are generally about 20519 for the bird material. The simulations provide spatial displacement values and nominal strain curve values that are generally similar to the experimental results. However, there are slight differences, which may be due to errors in both the simulations and the tests. Overall, the strain values align well with the experimental data for both simulations. Therefore, the SPH method can be effectively used to simulate bird strikes on honeycomb sandwich plates, which is advantageous since experimental studies can be time-consuming and costly, especially in the initial design phase of aerospace vehicles.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    383073

    Investigation of effects of bird strike on wing leading edge by using explicit finite element method

    Kanat hücum kenarı kuş çarpması probleminin açık sonlu eleman metodu ile incelenemesi

    OĞUZHAN DEDE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALTAN KAYRAN

  2. Tez No

    416989

    Kuş çarpmasının bir eğitim uçağı kanadı üzerindeki etkilerinin analizi

    Analysis of bird strike effects on the wing of a training aircraft

    TUĞÇE KİPER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM USLAN

    DOÇ. DR. MEHMET ALİ GÜLER

  3. Tez No

    758864

    Analysis of a bird strike on the external fuel tank of a jet trainer aircraft

    Bir jet eğitim uçağının harici yakıt tankına kuş çarpması analizi

    ÖZLEM IŞIKDOĞAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BORA YILDIRIM

  4. Tez No

    905594

    Analysis of effects of bird strike on the wing pylon

    Kanat pilonuna kuş çarpmasının etkilerinin analizi

    SEMİH YILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN CANBOLAT

  5. Tez No

    335795

    Bir uçak kanadının hücum kenarına kuş çarpmasının sayısal olarak modellenmesi ve analizi

    Numerical modeling and analysis of bird strike on an air plane wing leading edge

    SİNAN TAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU

Geri Dön