Weight reduction and material characterization in a part used in aviation applications produced by additive manufacturing method
Eklemeli imalat yöntemi ile üretilen havacılık uygulamalarında kullanılan bir parçada ağırlık azaltımı ve malzeme karakterizasyonu
- Tez No: 840336
- Danışmanlar: PROF. DR. BORA YILDIRIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 118
Özet
Havacılık sektöründe yapılan analizlerde yük yollarını değiştirmeyecek şekilde optimum tasarım optimizasyonları yapmak, ağırlık azaltımı ile yakıt tasarrufu sağlamak, karbon ayakizinin azaltılması, ve tüm bu güncellemeler sayesinde hava araçlarına yüksek manevra kabiliyeti kazanılması bu alanda sürekli geliştirilmeye açık, önemli konuların başında gelmektedir. Bunu sağlayabilmek için her geçen gün yeni teknolojiler geliştirilmektedir. Fakat bunun için tasarım ve üretimin birbiriyle uyumlu olması gerekmektedir. Geleneksel üretim methodları çoğu zaman tasarımı, üretilebilirlik yönünden kısıtlamakadır. Bunu aşmak adına son zamanlarda eklemeli imalata ek olarak topoloji optimizasyonu ön plana çıkmaktadır. Belirli kısıtlar ve hedef değerler parçayı hafifletmek ve ilk parçanın gerilim değerinde iyileştirme yapabilmek için parçaya atanmıştır. Öte yandan parçanın esnekliğinin kontrolü sağlanarak belirli bir sertlik değeri içinde kalması göz önünde bulundurulmaktadır. Bu tezde helikopterde halihazırda bulunan bir yapısal parçanın optimizasyonu yapılmıştır. Mevcut malzeme Al 6061 T62 ve kaynak ile bağlantı yapılan bir komponentir. Topoloji optimizasyonu uygulanarak öncelikle yük yolları belirlenmiş ve yüksek gerilim olmayan yerlerde malzeme boşaltılmasına gidilerek totalde %15.7'lik ağırlık azaltımı da sağlanmıştır. Ayrıca parçada hafiflik sağlanırken titreşim değerlerinde artış olup olmadığına dair modal analiz yapılmıştır. İlk titreşim değeri 60 iken, topoloji optimizasyonu uygulanmış ve malzeme değişikliği yapılmış parçanın titreşim değeri 67 Hz'e yükselmiştir. Bu titreşim analizi , parçanın ömrünü etkilediği için önem arz etmektedir. Eş zamanlı olarak eklemeli imalat için SLM üretim methoduna en uygun malzemelerden biri olan ve dayanım açısından Al 6061 malzemesinden daha üstün olan AlSi10Mg malzemesi seçilmiş ve kupon çekme testlerine tabi tutulmuştur. Fakat bu malzeme anizotropik olduğu için farklı yönlerde değişik mekanik özellik göstermektedir. Bu yüzden, deneyler malzemenin farklı yönlerde ve farklı geometrilerde SLM methodu kullanılarak üretilmesi ile tekrar edilmiştir. Kupon numuneleri gerginlik azaltma, tahribatlı ve tahribatsız muayenelere tabi tutulmuştur ve AlSi10Mg malzemesinin karakterizasyon incelemesi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, optimize edilmiş parçaların ağırlığını daha da azaltmayı amaçlayan boyut ve topoloji optimizasyonları için girdi görevi görmüştür. Optimize edilen bu tasarımlar daha sonra modal analize tabi tutulmuş ve ortaya çıkan doğal frekans değerleri, helikopterin doğal frekansları ile karşılaştırılmıştır. Statik ve modal analiz sonuçlarına göre, optimize edilmiş kısımda daha düşük gerilmelerin gözlendiği ve daha hafif bir ağırlığa sahip olduğu açıktır.
Özet (Çeviri)
Optimizing design in the aviation sector without altering load paths, achieving fuel savings through weight reduction, reducing carbon footprint, and gaining high maneuverability for aircraft through such improvements remain key areas open to continuous development in this field. To achieve these goals, novel technologies are being developed. However, design and production must be compatible with each other in order to attain this goal. Traditional production methods often limit design in terms of producibility. To overcome this situation, topology optimization has emerged as a prominent tool in recent years, in addition to additive manufacturing. Specific constraints and target values are assigned to the component to reduce the weight of the part and improve its stress values compared to the initial design. Additionally, the control of the compliance is taken into account to ensure it remains within a certain stiffness range. In this thesis, optimization was performed on a structural component that already exists in a helicopter. The selected component is made of Al 6061 T62 and is connected through welding. By applying topology optimization to the part, load paths were initially determined,and the material was removed in areas where high stress was not expected, resulting in a total weight reduction of 15.7 %. Modal analysis was conducted to evaluate if the vibration values increased while achieving lightweight. While the initial vibration value was 60 Hz, which was increased to 67 Hz after applying topology optimization with material change for analysis. This vibration analysis is crucial since it affects the lifespan of the component. Simultaneously, AlSi10Mg material, which is one of the most suitable materials for SLM manufacturing method in terms of strength and superior to Al 6061 material, has been subjected to tensile coupon tests. However, this material exhibits different mechanical properties in different directions due to its anisotropic nature. Therefore, the experiments were carried out the SLM method to produce the material in different directions and geometries. Coupon samples were subjected to stress relief, destructive and non-destructive testing, and the characterization of AlSi10Mg material was performed. The obtained results served as input for size and topology optimizations aimed at further reducing the weight of the optimized parts. These optimized designs were then subjected to modal analysis and the resulting natural frequency values were compared with the natural frequencies of the helicopter. According to the static and modal analysis results, it is evident that lower stresses are observed on the optimized part, which has a lighter weight.
Benzer Tezler
- Uçak koltuğu kompozit sırtlık sisteminin modellenmesi ve sonlu elemanlar analizi
Modeling and finite element analysis of aircraft seat composite backrest system
GÜNEY GÖRGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
DR. MURAT BÜYÜK
- A Physics-Driven Model for the Closed-Loop Quality Control of Remote Laser Welding
Uzaktan Lazer Kaynağının Kapalı Çevrim Kalite Kontrolü için Fizik Odaklı Bir Model
ERKAN CANER ÖZKAT
Doktora
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiUniversity of WarwickMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAREK CEGLAREK
- Elektronik baskı uygulamalarına yönelik alaşım ve metalik nano partiküllerin üretimi
Alloy and metallic nanoparticle production for printed electronics
ŞERZAT SAFALTIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Farklı karbür fazı içeren partikül takviyeli al matrisli kompozitlerin toz metalurjisi yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of various carbide particulate reinforced aluminium matrix composites produced by powder metallurgy method
RİFAT ONUR ÜLKÜSEVEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURAK ÖZKAL
- Ultrasonik sprey piroliz (USP) yöntemi ile nano yapılı kurşun oksit üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of nano structured lead oxide via ultrasonic spray pyrolysis (USP)
BURAK AŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN