Analytical based modeling of damage induced by electromagnetic pressure impact of lightning on aerodynamic surfaces: Aircraft wing and wind turbine blade
Uçak kanadı ve rüzgar türbini pali aerodinamik yüzeylerinde yıldırımın elektromanyetik basınç etkisinden kaynaklanan hasarın analitik tabanlı modellemesi
- Tez No: 879065
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL, PROF. DR. EROL UZAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Matematik, Uçak Mühendisliği, Energy, Mathematics, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Matematik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Matematik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
Açık arazide ve hava koşullarından bağımsız koşullarda rutin olarak çalışan sistemlerin (örneğin, uçaklar ve rüzgar türbini kanatları) beka kabiliyeti (hayatta kalma yeteneği), genellikle bu tür sitemlerin, insan yapımı ve insan yapımı olmayanlar da dahil olmak üzere zorlu ortamlardan kaçınma veya bunlara direnme yeteneği olarak tanımlanır. İnsan yapımı olmayan zorlu ortamlarından biri de yıldırım çarpmasıdır. Bu nedenle, bu tür sistemlerin tasarımı, üretimi, sertifikasyon gereklilikleri ve dolayısıyla beka kabiliyeti ile ilgili prosedürlerde yıldırım çarpması ile sistem malzemelerinin etkileşimi dikkate alınmalıdır. Bu tezde, yıldırım çarpmasının bir havacılık malzemesi ile etkileşimi incelenmiştir. Bu kapsamda, öncelikle yıldırımın analitik tabanlı geliştirilmiş elektromanyetik basınç darbe modeli (IEPIM) kurulmuştur. Ardından, kurulan basınç darbe modeli yardımıyla analitik temelli iki hasar modeli kurulmuştur. Bunlardan ilki uçak kanadı için hasar modeli, ikincisi ise rüzgar türbini kanadı için hasar modelidir. Her hasar modeli için iki farklı kiriş teorisi dikkate alınmaktadır: Bernoulli-Euler kiriş teorisi ve Timoshenko kiriş teorisi. Daha sonra oluşturulan basınç modeli ve hasar modellerinin bazı uygulamaları gerçekleştirilmekte ve elde edilen sonuçlar, karşılaştırmanın mümkün olduğu durumlarda açık literatürdeki uygun çalışmalarla doğrulanmaktadır. Tezin bulgularına göre, tez çalışmasında oluşturulan basınç modelinin (IEPIM) 100 kA ve 200 kA yıldırım akımı için açık literatürden alınan deneysel çalışmalarla iyi bir uyum içinde olduğu bulunmuştur. Bununla birlikte, 100 kA lik akım için ilk 25 μs ve 200 kA lik akım için ise ilk 50 μs süresince model doğru sonuç verdiği gözlenmiştir. Tezde geliştirilen modellerden biri olan bir uçak kanadının hasar modelinde, bir uçak kanadında yıldırımın basınç etkisinden kaynaklanan hasar, Timoshenko tipli hasar modeli ve Bernoulli-Euler tipli hasar modeline göre elde edilmiştir. Daha sonra, yıldırımın uçak kanadının köküne, ortasına ve ucuna çarpması durumlarındaki hasar miktarları hem Timoshenko tipli hasar modeline hem de Bernoulli-Euler tipli hasar modeline göre hesaplanmıştır. Bernoulli-Euler tipli hasar modelinin ve Timoshenko tipli hasar modelin sonuçları dikkate alındığında kanat kökü, kanat ortası ve kanat ucunda en büyük sapmanın sırasıyla eğilme sapması, burulma sapması ve eğilme kaynaklı dönme sapması olduğu görülmüştür. Oluşturulan uçak kanadı hasar modelinde, yalnızca eğilmeye neden olan bir zorlama fonksiyonu olsa bile uçak kanadında yalnızca eğilme sapması değil hem burulma sapması hem de kesit alan dönmesinin neden olduğu dönme sapması ortaya çıkmıştır. Bunun nedeni, oluşturulan hasar modelinin etkileşimli (coupled) biçimde kurulmasıdır. Seçilen bu yaklaşım, uçak kanat sisteminin fiziksel yapısına daha yakındır. Timoshenko tipi hasar modeli ile Bernoulli-Euler tipi hasar modeli verimlilik açısından karşılaştırıldığında, dikkate alınan yıldırım çarpma noktaları bazında, maksimum pozitif hasar miktarı açısından Timoshenko tipi modelin Bernoulli-Euler tipi modele göre daha az sapma sağladığı tespit edilmiştir. Yapısal analiz problemlerinin uygulamalarında, aynı malzeme özellikleri için Timoshenko tipi bir model Bernoulli-Euler tipi bir modelle karşılaştırıldığında, Bernoulli-Euler tipi modelin daha rijit yapılar için kullanıldığı ve bu nedenle daha az sehim verdiği iddia edilmektedir. Ancak, kurduğumuz hasar modelinde hem bir dinamik analiz söz konusu hem de hasar modelinde ele alınan zorlama fonksiyonu, bilinen standart zorlama fonksiyonlarından öte daha kompleks bir yapıya sahiptir. Bu nedenlerden dolayı bu çalışmanın sonuçlarının bilinen standart sonuçlardan farklı olabileceği beklenmektedir. Ayrıca tez çalışmasının zorlanmış titreşim analizi alt bölümünden önce gerçekleştirilen serbest titreşim analizi alt bölümünde, aynı malzeme özellikleri için Timoshenko tipi modelin Bernoulli-Euler tipi modele göre daha düşük titreşim frekansları verdiği görülmüştür. Ayrıca bu titreşim frekanslarıyla ilişkili titreşim modu şekillerinin Bernoulli-Euler tipi modelden elde edilenlere göre daha düşük genliklere sahip olduğu bulunmuştur. Dolayısıyla, Timoshenko tipli modelden elde edilen çökmemiktarının, Bernoulli-Euler tipli modelden elde edilen çökme miktarından düşük olması beklenen bir sonuçtur. Ek olarak, uçak kanadının sapmış şekliyle ilgili, her iki modelde de yıldırım, kanatta tek bir noktaya düşse bile kanattaki sapmaların kanat boyunca yayıldığı tespit edilmiştir. Bunun sebebi, hasar modelinde ele alınan zorlama fonksiyonunun fiziksel davranışının, dağılmış bir yük formuna karşılık gelmesidir. Rüzgar türbini palinin hasar modeli durumunda, bir rüzgar türbini palinin ortasına yıldırım çarptığında, yıldırımın basınç etkisinden kaynaklanan hasarın paldeki miktarı hem Timoshenko tipli hasar modeline göre hem de Bernoulli-Euler tipli hasar modeline göre ankastre-ankastre (clamped-clamped) (C-C), ankastre-serbest (clamped-free) (C-F) ve basit mesnetli-basit mesnetli (simply supported-simply supported) (S-S) sınır şartları için elde edilmiş ve sonuçlar her iki model için de kıyaslanmıştır. Buna göre, öncelikle hasar modelini çözümü serbest titreşim ve ardından zorlanmış titreşim analizleri yapılarak çözülmüştür. Daha sonra, modelin çözümü kullanılarak aynı malzeme özellikleri için hem Timoshenko tipli hasar modeli hem de Bernoulli-Euler tipli hasar modeli için sonuçlar elde edilmiştir. Farklı sınır şartları için her iki model karşılaştırıldığında, C-C sınır şartına sahip bir rüzgar türbini palinin ortasına yıldırım çarptığında, yıldırımın elektromanyetik basınç etkisinden kaynaklanan hasarın hesaplanmasında Bernoulli-Euler tipli hasar modeli, Timoshenkotipli hasar modeline kıyasla literatürden alınan benzer şartlara sahip bir deneysel çalışmanın sonucuna daha yakın sonuç vermiştir. Bunun nedeni, rüzgar türbinleri pallerinin nispeten narin yapılı (en oranları boy oranlarının yaklaşık olarak en az 1/10 kadar olan yapılar) olmasından, ki böylece de Bernoulli-Euler tipli modellere daha uygun olmasındadır. Diğer taraftan, Timoshenko tipli model ise nispeten daha kısa ve kalın (stubby) yapılar için daha uygundur. Rüzgar türbini palindeki yıldırım kaynaklı hasarın oluşmasında, palin sınır şartlarının etkisi incelendiğinde, palin dönmesinden kaynaklanan eksenel yükün ihmali durumunda, yıldırım kaynaklı hasar sırasıyla en fazla C-C, C-F ve S-S sınır şartlarında ortaya çıkmaktadır. Bu sınır şartları arasında, eksenel yükün yokluğu durumunda, hasar modeli bazında bir kıyaslama yapıldığında, Bernoulli-Euler tipli hasar modeli Timoshenko tipli hasar modelinden eğilme bakımından daha fazla hasar miktarı vermektedir. Rüzgar türbini palinin hasar modeli durumunda, bir rüzgar türbini palinin ortasına yıldırım çarptığında, yıldırımın basınç etkisinden kaynaklanan hasarın paldeki miktarı hem Timoshenko tipli hasar modeline göre hem de Bernoulli-Euler tipli hasar modeline göre ankastre-ankastre(clamped-clamped) (C-C), ankastre-serbest (clamped-free) (C-F) ve basit mesnetli-basit mesnetli (simply supported-simply supported) (S-S) sınır şartları için elde edilmiş ve sonuçlar her iki model için de kıyas- lanmıştır. Buna göre, öncelikle hasar modelini çözümü serbest titreşim ve ardından zorlanmış titreşim analizleri yapılarak çözülmüştür. Daha sonra, modelin çözümü kullanılarak aynı malzeme özellikleri için hem Timoshenko tipli hasar modeli hem de Bernoulli-Euler tipli hasar modeli için sonuçlar elde edilmiştir. Farklı sınır şartları için her iki model karşılaştırıldığında, C-C sınır şartına sahip bir rüzgar türbini palinin ortasına yıldırım çarptığında, yıldırımın elektromanyetik basınç etkisinden kaynaklanan hasarın hesaplanmasında Bernoulli-Euler tipli hasar modeli, Timoshenkotipli hasar modeline kıyasla literatürden alınan benzer şartlara sahip bir deneysel çalışmanın sonucuna daha yakın sonuç vermiştir. Bunun nedeni, rüzgar türbinleri pallerinin nispeten narin yapılı (en oranları boy oranlarının yaklaşık olarak en az 1/10 kadar olan yapılar) olmasından, ki böylece de Bernoulli-Euler tipli modellere daha uygun olmasındadır. Diğer taraftan, Timoshenko tipli model ise nispeten daha kısa ve kalın (stubby) yapılar için daha uygundur. Rüzgar türbini palindeki yıldırım kaynaklı hasarın oluşmasında, palin sınır şartlarının etkisi incelendiğinde, palin dönmesinden kaynaklanan eksenel yükün ihmali durumunda, yıldırım kaynaklı hasar sırasıyla en fazla C-C, C-F ve S-S sınır şartlarında ortaya çıkmaktadır. Bu sınır şartları arasında, eksenel yükün yokluğu durumunda, hasar modeli bazında bir kıyaslama yapıldığında, Bernoulli-Euler tipli hasar modeli Timoshenko tipli hasar modelinden eğilme bakımından daha fazla hasar miktarı vermektedir. Ayrıca, Bernoulli-Euler tipli hasar modeli C-C ve C-F sınır şartlarında burulma hasarı bakımından daha büyük sonuçlar verirken Timoshenko tipli hasar modeli S-S sınır şartı durumunda daha fazla burulma hasarı vermektedir. Ek olarak, yine eksenel yükün yokluğu durumunda, en büyük hasar tipleri sırasıyla eğilme, eğilme-kaynaklı dönme ve burulma hasar miktarıdır. Uçak kanadındaki yıldırım kaynaklı hasar modelinde olduğu gibi, rüzgar türbini palindeki yıldırım kaynaklı hasar modelinde de yalnızca eğilme davranışına neden olan bir zorlama fonksiyonu olsa bile, modelin etkileşimli formu nedeniyle eğilme sapmasının yanı sıra burulma ve eğilme-kaynaklı dönme hasarları da ortaya çıkmaktadır. Ayrıca yine uçak kanadı hasar modelindeki gibi, hasar modelindeki zorlama fonksiyonu dağılmış yük etkisine sahiptir. Bundan kaynaklı, yıldırım çarpması rüzgar türbini palinin ortasında tek bir noktaya çarpsa bile, çarpmanın etkisi nedeniyle pal yüzeyinde bir basınç yayılması meydana gelir ve bu basınç yayılması pal boyunca radyal yönde etki eder. Diğer taraftan, C-F sınır şartı için eksenel yükün varlığı durumunda ise, Timoshenko tipli hasar modeli, Bernoulli-Euler tipli hasar modelinden eğilme ve burulma sapması anlamında daha fazla çökme miktarı vermektedir.
Özet (Çeviri)
The survivability of systems (e.g., aircrafts and wind turbine blades) routinely operating in open terrain and weather-independent conditions is generally defined as the ability of the systems to avoid or resist harsh environments, including man-made and non-man-made. One of the non-man-made enemy environments is the lightning strike. Thus, the interaction of lightning strike and the materials of such systems must be considered in the procedures regarding design, production, certification requirements, and hence survivability of the systems. In the present thesis, the interaction of lightning strike with an aeronautical material is investigated. In this context, firstly, an analytical-based improved electromagnetic pressure impact model (IEPIM) of lightning is established. Subsequently, with the help of the pressure impact model established, two analytical-based damage models are established. The first one is the damage model for an aircraft wing and the latter one is the damage model for a wind turbine blade. For each damage model, two different beam theories are considered: Bernoulli- Euler beam theory and Timoshenko beam theory. Then, some applications of the pressure model and damage models established are performed, and then the results obtained are confirmed with appropriate studies in open the literature whenever the comparison is possible. According to the findings of the thesis, it was found that the pressure model (IEPIM) established in the thesis study was in good agreement with the experimental studies taken from the open literature for 100 kA and 200 kA lightning current. Moreover, it was observed that the pressure model provided quite correct results during the first 25 μs for 100 kA current and the first 50 μs for 200 kA current. In the damage model of an aircraft wing, which is one of the models developed in the thesis, the damage caused by the pressure impact of lightning on an aircraft wing was obtained with respect to the Timoshenko type damage model and the Bernoulli-Euler type damage model. Then, the amounts of the damage when lightning struck the root, middle and tip of the aircraft wing were calculated according to both the Timoshenko type damage model and the Bernoulli-Euler type damage model. Considering the results of the Bernoulli-Euler type damage model and the Timoshenko type damage model, it was seen that at the wing root, middle of the wing and wing tip, the largest deflections were respectively the bending deflection, torsional deflection, and bending-induced rotational deflection. In the aircraft wing damage model established, even though there was a flexural forcing function, not only bending deflection but also both torsional deflection and rotational deflection caused by cross-sectional area rotation emerged in the aircraft wing. The reason for this is that the damage model developed is established in a coupled (i.e., interactive) form. This chosen approximation is closer to the physical nature of the aircraft wing system. When the Timoshenko type damage model and the Bernoulli-Euler type damage model are compared in terms of efficiency, it has been determined that the Timoshenko type model provides less deviation than the Bernoulli-Euler type model in terms of the maximum positive damage amount, based on the lightning strike points considered. In the applications of structural analysis problems, when a Timoshenko type model is compared with a Bernoulli-Euler type model for the same material properties, it is claimed that the Bernoulli-Euler type model is used for more rigid structures and therefore gives less deflection. However, in the damage model we have established, there is a dynamic analysis and the forcing function considered in the damage model has a more complex structure than the known standard forcing functions. For these reasons, it is expected that the results of this study can be different from the known standard results. Moreover, in the free vibration analysis subsection performed before the forced vibration analysis subsection of the thesis study, it was seen that the Timoshenko type model gave lower vibration frequencies than the Bernoulli-Euler type model for the same material properties. Furthermore, it was found that the vibration mode shapes associated with these vibration frequencies had lower amplitudes compared to those obtained from the Bernoulli-Euler type model. Thus, it is an expected result that the amounts of the deflection obtained from the Timoshenko type model are lower than the amounts of the deflection obtained from the Bernoulli-Euler type model. Additionally, regarding the deflected shape of the aircraft wing, it was found that in both models, even if lightning strikes a single point on the wing, the deflections in the wing spread throughout the wing. This is because the physical behavior of the forcing function considered in the damage model corresponds to a distributed load form. In the case of the damage model of the wind turbine blade, when lightning strikes the middle of a wind turbine blade, the amount of damage to the blade caused by the pressure impact of the lightning is calculated according to both the Timoshenko type damage model and the Bernoulli-Euler type damage model for the clamped-free (C-F), clamped-clamped (C-C), and simply supported-simply supported (S-S) boundary conditions and then the results obtained were compared for both models. Accordingly, firstly, the damage model was solved by free vibration analysis and then by forced vibration analysis. Then, using the solution of the model, results were obtained for both the Timoshenko type damage model and the Bernoulli-Euler type damage model for the same material properties. Compared the both models with each other for different boundary conditions, when lightning strikes the middle of a wind turbine blade with C-C boundary condition, the Bernoulli-Euler type damage model provides better result in terms of the result of an experimental study with similar conditions taken from the literature than the Timoshenko type damage model in calculating the damage caused by the electromagnetic pressure impact of lightning. The reason for this is that wind turbine blades are relatively slender structures (i.e., structures with width ratios of at least 1/10 of the length ratios), which makes them more suitable for Bernoulli-Euler type models. On the other hand, the Timoshenko type model is more suitable for relatively shorter and thicker (stubby) structures. When the effect of the boundary conditions of the blade on the occurrence of lightning-induced damage on the wind turbine blade is investigated, in case of neglect of the axial load caused by the rotation of the blade, lightning-induced damage occurs most in the C-C, C-F and S-S boundary conditions, respectively. Among these boundary conditions, in the case of the absence of axial load, when a comparison is made on the basis of the damage model, the Bernoulli-Euler type damage model gives more damage in terms of bending deflection than the Timoshenko type damage model. In addition, while the Bernoulli-Euler type damage model gives larger results in terms of torsional deflection in the C-C and C-F boundary conditions, the Timoshenko type damage model gives more torsional deflection in the S-S boundary condition. Additionally, again in the absence of axial load, the largest damage types are bending, bending-induced rotational and torsional damage, respectively. As in the lightning damage model of the aircraft wing, even though there is only a flexural forcing function in the lightning damage model of the wind turbine blade, torsional and bending-induced rotational deflections as well as bending deflection occur due to the coupled form of the model. Furthermore, as in the aircraft wing damage model, the forcing function in the damage model has a distributed load effect. Therefore, even if the lightning strike hits a single point in the middle of the wind turbine blade, a pressure spread occurs on the blade surface due to the impact of the lightning, and this pressure spread acts in a radial direction along the blade. On the other hand, in the presence of axial load for the C-F boundary condition, the Timoshenko type damage model gives more deflection amount in terms of bending and torsional deflection than the Bernoulli-Euler type damage model.
Benzer Tezler
- Zayıf jeolojik ortamlarda (İstanbul metrosu) sığ ve çoklu yeraltı açıklıklarının neden olduğu yüzey deformasyonlarının kestirilmesi
Prediction of the surface deformations induced by shallow and multiple underground excavations (Istanbul subway) in weak geological environments
CANDAŞ TOPAL
Doktora
Türkçe
2021
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YILMAZ MAHMUTOĞLU
- Collapse risk assessment of reinforced concrete buildings subjected to aftershock hazard
Betonarme binaların artçı sarsıntı etkisiyle göçme riskinin değerlendirilmesi
ZİYA MÜDERRİSOĞLU
Doktora
İngilizce
2017
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UFUK YAZGAN
- Kompakt grafitli dökme demirde frezeleme işlemi sonrası kalıntı gerilmelerin incelenmesi ve kesme parametreleri için süreç optimizasyonu
Investigation of residual stresses induced by milling in compacted graphite iron and process optimization for cutting parameters
MEHMET EMRE KARA
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Değişken kesitli baraj-rezervuar etkileşim problemlerinin varyasyonel hibrid eleman metodu ile çözümü
Başlık çevirisi yok
HAKAN UÇAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERTAÇ ERGÜVEN
- Anizotropik plastik akma yüzeyine dayalı sayısal hasar modelinin geliştirilmesi ve deneysel doğrulaması
Development and experimental validation of a numerical damage model based upon an anisotropic plastic yield criterion
TOROS ARDA AKŞEN
Doktora
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET FIRAT