Investigation of panel deformation because of impact loading in aerospace structures
Havacılık yapılarında darbe yüklemesinden kaynaklanan panel deformasyonunun incelenmesi
- Tez No: 894491
- Danışmanlar: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN, PROF. DR. ABDÜLKADİR YAVUZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Kirişler ve plakalar uzun yıllardır çeşitli mühendislik problemlerinde yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Alüminyum, çelik gibi izotropik malzemeler ile cam, karbon gibi kompozit malzemeler kirişlerde ve plakalarda yaygın şekilde kullanılmaktadır. Havacılık sektöründe kompozit malzemeler uzun zamandır kullanılmaktadır. Otomotiv sektöründe de elektrikli araçların yaygınlaşması ile birlikte hafifletme projeleri artmaya başlamış ve özellikle çelik malzemelerin yerine daha hafif kompozit malzemelerin adaptasyonu üzerine çalışılmaktadır. Kirişler ve plaklar otomotiv sektöründe tampon kirişi, araç kapı içi destek kirişi ve kaput-kapı saçları gibi modellemelerde kullanılır. Havacılıkta ise kanat ve uçak gövdesi gibi modellerde kullanılır. Özellikle havacılıkta kuş çarpması veya yabancı madde hasarı gibi birçok dinamik çarpışma problemi yapıda ciddi hasarlara yol açmaktadır. İş bu tez kapsamında kiriş ve plakların darbe direnci statik ve dinamik yükleme koşulları ile incelenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi programlarından ve literatürden elde edilen veriler teorik sonuçlarla kıyaslanmıştır. Kirişlerin darbe analizinde hem lineer kiriş teorisi hem de lineer olmayan kiriş teorisi, plakların analizinde ise lineer plak teorisi kullanıldı. Bu teorilerin çözüm algoritması MATLAB programına aktarılarak kısa sürede sapması düşük sonuçlar elde edilmesi hedeflenmiştir. Basitçe mesnetlenmiş bir kiriş ya da plakanın modal çözümü sinüs veya sinüsler sonsuz toplamı ile ifade edilebildiği için statik veya dinamik yük durumlarına uygulanabilir. Bu çalışmada sadece basit mesnet sınır koşulları üzerinde durulmuştur ama farklı sınır koşulları için denklemleri adapte etmek mümkündür. Kirişler 1 boyutlu, plakalar 2 boyutlu elemanlar olarak modellenmektedir. Kiriş uçlarından x-ekseni öteleme ve y-ekseni rotasyonu hariç sabitlenmiştir. Kirişe ek olarak plaklar y-ekseni ötelemede de serbest bırakıldı. Kirişlerin büyük sehim çözümleri incelendiğinde ince bir kiriş için daha anlamlı sonuçlar verdiği bilinmektedir. Özellikle dinamik modelde hız ya da kinetik enerji arttığında büyük sehim teorisine gereksinim duyulur. Lineer teori düşük çarpışma hızları veya düşük yük durumları için yeterli sonuç vermektedir. Lineer kiriş teorisinde kirişin hareket edebilir olması uzunluğunun sehime bağlı olarak değişmemesi olarak kabul edilir. Böylece kirişin uzunluğu boyunca oluşan eksenel yük ihmal edilmektedir. Plaklar kirişlerin 2 boyutlu modeli gibi kabul edilebilir. Denklemler benzer formatta olup plaklar için çift sinüs kullanılmaktadır. Bu sebepten plakların 2 eksendeki davranışı incelendiğinden sadece lineer plak teorisi kullanılmıştır. Lineer plak teorisi ile elde edilen sonuçlar düşük hızlı çarpmalar veya düşük kuvvetler için yeterli sonuçlar vermektedir. Daha yüksek deplasman koşulları olduğu zaman daha yüksek sehim verdiği için gerilim değerleri daha yüksek çıkmaktadır. Teorilerle statik ve dinamik çarpma modelleri üzerine çalışıldı. Statik yükün kirişin veya plakanın çok küçük bir bölümüne etki etmesi durumu aslında basitleştirilmiş bir çarpma modeli olarak düşünülebilir. Hem izotropik hem ortotropik malzemelerle farklı yük koşulları için modeller kurulmuştur. Malzeme özellikleri literatürde yer alan çalışmalardan alınmıştır. Ayrıca küçük bir cismin çarpışma modelini basitleştirmek için tekil yük yani konsantre yük ile teorik ve numerik sonuçlar elde edilmiştir. Ortotropik malzeme teoriye aktarılırken klasik laminasyon teorisi kullanılmıştır. Yaygın olarak kullanılan bu teori ile farklı oryantasyonlara sahip malzemenin karakteristiği belirlenir. Burada eğme kuvvetlerine bağlı olarak sehim ve gerilim oluştuğu için laminasyonda yerleştirme de önem kazanmaktadır. Hangi katmanın dış yüzeyde ya da iç yüzeyde olduğu yapının mukavemetini değiştirmektedir. Kiriş ve plak için direngenlik hesabı yapılırken ortotropik malzeme için türetilmiş bir terim kullanılmıştır. Yapının uğradığı hasar belirlenmiş bir gerilirim limitini geçmesi ile belirlenebilir. Bu sebepten çalışmada gerilim hesabına yer verilmiştir. Kompozit malzemelerde gerilim hesabı yapılırken her bir katman için ayrı ayrı yapılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi için statik çözümlerde Abaqus-İmplicit, dinamik çözümlerde Hyperworks-Radioss kullanıldı. Sonlu elemanlar yöntemi ile elde sonuçlara göre küçük sehimlerde çözümün lineer ya da lineer olmaması fark etmemektedir. Sehim arttıkça lineer çözüm gerçekten sapmaya başlamaktadır. Basit mesnetli kiriş ve plaklar üzerine çalışıldığı için sınır koşulu olarak kirişlerde U1 ve UR2, plakalarda UR1 ve UR2 serbest bırakılmıştır. Abaqus programında katı elemanlar için C3D8R ve SC8R elemanlar kullanıldı. C3D8R izotropik malzeme modeli için, SC8R ortotropik malzeme modeli için uygundur. Kabuk elemanlar için SC4R eleman tipi kullanıldı. Bu eleman tipi iki tip malzeme modeli ile uyumludur. Yükleme durumu için yayılı yüke uygun olduğu için basınç yükleri girildi. Ayrıca tekil yük uygulaması için konstanre edilmiş yük bölümü kullanıldı. Hyperworks-Radioss programında katı elemanlar için HEXA8N, kabuk elemanlar için SHELL4N eleman tipi uygun görüldü. Radioss explicit bir çözücü olup dinamik problemler için yaygın olarak kullanılmaktadır. Çarpışma tertibatı için rijit duvar ile farklı kütle ve hız koşulu için modelleme mümkündür. Burada çarpan cismin hasar alıp almaması önemsiz olduğu için rijit duvar uygun bulunmuştur. Küresel tipteki rijit duvar noktasal çarpmaya uygun olduğu için tercih edilmiştir. Explicit çözüm için eleman boyutu çözümün zaman adımını etkilediği için küçük eleman boyutları ile modellenmiştir. Bu durum MATLAB üzerinden hesaplama yapmanın avantajını ön plana çıkarmaktadır. Özellikle yüksek hızlı çarpışma modelleri için eleman tipinin çok küçük seçilmesi gerekmekte olup çözüm süresinin çok uzamasına sebebiyet vermektedir. Sonlu elemanlar yöntemi ile çözümler yaklaşık olarak 1 ile 10 dakika arasında sürmektedir. Aynı çözüm MATLAB programında 1 ile 15 saniye içerisinde tamamlanmaktadır. Elde edilen tüm sonuçlar kıyaslandı ve tekil yük durumu için bir korelasyon kurulmaya çalışıldı. Burada momentum denklemi kullanılarak bir katsayı tanımlaması yapıldı. Farklı durumlar için bu katsayı hesapları tekrarlandı. Gerilme değerleri de teorilerden elde edilen sehim değerleri kullanılarak sonlu elemanlar yönteminden elde edilen verilerle kıyaslanmıştır. Teorinin çözümü için genellikle ilk üç terim yeterli sonucu vermektedir. Sehim ve buna bağlı oluşan gerilme sonuçları kıyaslandığında teorinin kabullerine uygun koşullarda fark %1'e yakın çıkmaktadır. Sonlu elemanlar yönteminden elde edilen sonuçlar referans alınarak lineerliğin bozulduğu durumlarda ise sonuçlar arasındaki fark %50'nin üzerine çıkmaktadır.
Özet (Çeviri)
Beams and plates have been widely used in various engineering problems for many years. Isotropic materials such as aluminum, steel, and composite materials such as glass and carbon are widely used in beams and plates. Composite materials have been used in the aviation industry for a long time. With the widespread use of electric vehicles in the automotive sector, lightening projects have started to increase and studies are being carried out on the adaptation of lighter composite materials, especially instead of steel materials. Beams and plates are used in models such as bumper beams, vehicle door support beams, and hood-door plates in the automotive industry. In aviation, it is used in models such as wings and airframes. Especially in aviation, many dynamic impact problems such as bird strikes or FOD cause serious damage to the structure. This thesis investigated the impact resistance of beams and plates with static and dynamic loading conditions. The data obtained from the finite element method programs and the literature were compared with the theoretical results. Both linear beam theory and nonlinear beam theory were used in the impact analysis of beams, and linear plate theory was used in the analysis of plates. Transferring the solution algorithm of these theories to the MATLAB program aims to obtain results with low deviation in a short time. Since the modal solution of a simply supported beam or plate can be expressed as a sine or an infinite sum of sines, it can be applied to static or dynamic load cases. In this study, only simple support boundary conditions are considered, but it is possible to adapt the equations for different boundary conditions. Beams are modeled as 1-dimensional elements and plates as 2-dimensional elements. Beam ends are fixed except for the x-axis translation and y-axis rotation. In addition to the beam, the plates are also free in the y-axis translation. When the large deflection solutions of the beams are examined, it is known that it gives more acceptable results for a thin beam. Especially when the velocity or kinetic energy increases in the dynamic model, a large deflection theory is needed. Linear theory gives sufficient results for low-impact speeds or low-load situations. In the linear beam theory, the beam's movability is accepted as its length does not change depending on the deflection. Thus, the axial load along the length of the beam is neglected. Plates can be considered as a 2D model of beams. Equations are in a similar format and double sinus is used for plates. For this reason, only linear plate theory was used since the behavior of plates in 2 axes is investigated. The results obtained with the linear plate theory give satisfactory results for low-speed impacts or low forces. When there are higher displacement conditions, the stress values are higher because it gives higher deflection. Theories are studied on static and dynamic impact models. A static load acting on a very small part of the beam or plate can be considered a simplified impact model. Models have been established for different load conditions with both isotropic and orthotropic materials. Material properties are taken from studies in the literature. In addition, theoretical and numerical results are obtained with a single load, that is, a concentrated load, in order to simplify the impact model of a small projectile. While transferring the orthotropic material to the theory, the CLT is used. This widely used theory determines the characteristic of material with different orientations. Since deflection and stress occur here due to bending forces, lay-up gets important in lamination. Which layer is on the outer surface or the inner surface changes the strength of the structure. When calculating stiffness for beam and plate, a derived term for orthotropic material is used. Damage to the structure can be determined when it exceeds a specified stress limit. For this reason, stress calculation is included in the study. When calculating the tension in composite materials, is done separately for each layer. For the FEM, Abaqus-Implicit was used for static solutions and Hyperworks-Radioss was used for dynamic solutions. According to the results obtained with the FEM, it does not matter whether the solution is linear or not in small deflections. As the deflection increases, the linear solution starts to deviate. Since it is studied on simply supported beams and plates, U1 and UR2 in beams and UR1 and UR2 in plates are free in the edge boundary condition. C3D8R and SC8R elements were used for solid elements in the Abaqus program. C3D8R is suitable for the isotropic material model, and SC8R is suitable for the orthotropic material model. Element type SC4R was used for shell elements. This element type is compatible with two types of material models. Pressure loads were entered for the loading condition as they are suitable for the distributed load. In addition, a concentrated load section was used for single load application. In the Hyperworks-Radioss program, the HEXA8N element type is used for solid elements and the SHELL4N element type is selected for shell elements. Radioss explicit solver is widely used for dynamic problems. Impactor modeling with the rigid wall is possible for different mass and velocity conditions. Here, the rigid wall was found to be appropriate, since it is unimportant whether the striking object is damaged or not. The spherical type rigid wall is preferred because it is suitable for point impact. For the explicit solution, the element size is modeled with small element dimensions since it affects the time step of the solution. This situation highlights the advantage of calculating on MATLAB. Especially for high-speed impact models, the element type must be chosen very small, causing the solution time to be very long. Solutions with the FEM take approximately 1 to 10 minutes. The same solution is completed in 1 to 15 seconds in the MATLAB program. All the obtained results were compared and a correlation was tried to be established for the single load case. Here, a coefficient definition was made using the momentum equation. These coefficient calculations were repeated for different cases. Stress values were compared with the data obtained from the finite element method using the deflection values obtained from the theories. Usually the first three terms give sufficient results for the solution of the theory. When the deflection and the resulting stress results are compared, the difference is close to 1% in accordance with the assumptions of the theory. In cases where linearity is impaired by taking the results obtained from the finite element method as a reference, the difference between the results exceeds 50%.
Benzer Tezler
- Kiriş ucu plastik mafsal bölgesindeki tam dayanımlı bulonlu kiriş ekinin kiriş-kolon birleşim davranışına etkisinin araştırılması
An investigation of the effect of fully restrained bolted splice connection within the plastic hinge zone at a beam end on the behavior of beam-to-column connection
KUTAY KUTSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Cam lifleri ile güçlendirilmiş alçı (CLGA) panellerden oluşan yarı-prefabrike yapısal bileşenlerin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of semi-prefabricated structural components made of glass fiber reinforced gypsum (GFRG) panels
BEYZA KAPUCU GÜZELBULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Kiriş-kolon birleşim bölgelerinin ileri teknoloji malzemelerle güçlendirilmesi
Beam-column joints retrofitted with advanced technological materials
SİNAN MURAT CANSUNAR
Doktora
Türkçe
2023
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Yapı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR GÜLER
- Bir taktik insansız hava aracı kanadının yapısal davranışının sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of structural behavior of a tactical unmanned aerial vehicle wing
AHMET AKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU