Geri Dön

Mechanical performance analysis of 3d printed hierarchical honeycomb structures in aerospace-applications

Havacılık uygulamalarında 3d baskılı hiyerarşik petek yapılarının mekanik performans analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 920867
  2. Yazar: YAKUP SEÇKİN KOÇ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET NURULLAH BALCİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 113

Özet

İşletmeler, maliyetleri düşürmek ve verimliliği artırmak amacıyla teknolojiye yatırım yaparak üretim yöntemlerinde önemli ilerlemeler kaydetmiştir.Bu ilerlemeler, özellikle geniş uygulama alanlarına sahip eklemeli imalat ile dikkat çekmektedir. Eklemeli imalat, karmaşık şekilli parçaların üretiminde geleneksel yöntemlere kıyasla daha etkili bir yol sunarak üretim verimliliğini artırmaktadır. Ayrıca, bu teknoloji, yeni iş modellerinin oluşturulmasına, tedarik zinciri değişimlerine ve ürün geliştirme süreçlerinin dönüşümüne yol açmaktadır. Havacılık endüstrisi, eklemeli imalat teknolojisinin öncüsü olarak son yıllarda büyük bir gelişme göstermiş ve uçak sayısında hızlı bir artış yaşanmıştır. Artan taleplerle birlikte, üreticilerin daha verimli, güvenli ve çevre dostu uçaklar üretmesi gerekmektedir. Mühendisler, hafif ve dayanıklı uçak bileşenleri tasarlarken bir takım gereksinimleri karşılamak zorundadırlar. Ancak, mevcut geleneksel üretim yöntemleri, üretim sürecinde yüksek maliyetlere ve tasarım karmaşıklığına yol açarak bileşenlerin fonksiyonelliğini sınırlamaktadır. Hafif ve dayanıklı yapıların önemi giderek artmaktadır. Bu nedenle, yeni üretim ve tasarım teknikleri üzerine kapsamlı bir araştırma ve geliştirme çalışması sürdürülmektedir.Bu hedef doğrultusunda, mevcut yapısal teknikler ve malzeme teknolojileri modern teknolojiyle yeniden değerlendirilerek gelecekte daha yüksek performanslı yapılar elde edilmesi beklenmektedir. AM teknolojisinin doğrudan parça üretimine uyarlanması, bu süreci olumlu yönde değiştirecektir. Sandviç paneller, yüksek eğilme sertliği/ağırlık oranı nedeniyle havacılık endüstrisinde önemli bir role sahiptir ve genellikle petek çekirdek yapıları içerirler. Petek yapılar, hafif ve güçlü olmalarıyla modern uçak tasarımında yaygın olarak kullanılır; ancak sınırlı mukavemetleri ve karmaşık eğriliklere sahip yüzeylere uygun olmamaları gibi kısıtlamalara sahiptir. Bununla birlikte çekirdekler istenilen forma bir blok yapıdan işlenerek oluşturulurlar, bu da üretim sürecinde atık oranını arttırırak çeşitli belirsizliklere yol açmaktadır. Bu zorlukları aşmak için, çekirdek yapıların üretim yöntemleri ve desen tasarımlarında yeniliklere ihtiyaç vardır. Doğal yapılar, nanometrelerden makroskobik ölçeklere kadar karmaşık ve hiyerarşik bir organizasyon sergileyerek, daha gelişmiş ve işlevsel malzemelerin tasarımını kolaylaştırır. Bu yaklaşım, geleneksel malzemelerin sınırlamalarını aşarak daha hafif, güçlü ve işlevsel yapılar geliştirilmesine olanak tanır. Hiyerarşik yapılar, küçük geometrilerin belirli seviyelerde metodik olarak dahil edilmesiyle oluşturulur ve literatür, bu yapıların geleneksel petek yapılara göre daha yüksek özgül mukavemet ve modül değerlerine sahip olduğunu göstermektedir. Eklemeli imalat teknolojisinin hiyerarşik petek yapılarla birleşimi, uçak sandviç tasarımlarında özelleştirme yoluyla istenen özellikleri uygun maliyetlerle ulaşmayı mümkün kılar. Mevcut çalışmada, AM teknolojisinin bal peteği üretimindeki sınırlamaları aşma potansiyeline ve havacılık yapısalları uygulamalarındaki entegrasyonuna yeni bir bakış sağlayacaktır. Tezin ilk bölümünde, 3D yazıcı ile üretilen test numunelerinin mekanik özellikleri deneysel olarak belirlenecek ve simülasyon modelleriyle doğrulanması gerçekleştirilecektir. Hiyerarşik petek yapıların doğru karakterizasyonu için temel malzeme özelliklerinin belirlenmesi kritik önemdedir. Yapı yönü, 3D baskı parçalarının anizotropik özelliklerini, yüzey kalitesini ve maliyetini üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bu yüzden, yapı yönü hariç tüm işlem parametreleri sabit tutularak yapı yönünün mekanik performans üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çekme testleri, üretilen PLA numuneleri üzerinde gerçekleştirilmiş ve sonuçlar statik yapısal simülasyonlarla karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Mevcut çalışmada, eklemeli imalat ile üretilen bileşenlerin mekanik performansını değerlendirmek için daha hızlı ve etkili bir sonlu elemanlar analizi yaklaşımı önerilmektedir. Çalışmada algoritmaların zaman alıcı doğasına dikkat çekilmiş, ancak gerçekçi varsayımlarla simülasyon süreci basitleştirilmiştir. FE modellemesi, FDM bileşenlerinin mekanik davranışını doğru şekilde simüle etmiş ve yüksek doğruluk oranları elde edilmiştir.Tezin ikinci bölümünde, bir uçak kokpitinden seçilen kol dayanağı plakası içerisine entegre edilen farklı seviyelerdeki hiyerarşik petek çekirdek yapılarının mekanik davranışları incelenmiştir. Kol dayanağının en kritik yük durumunun pilotun otururken veya kalkarken plakanın orta kısmına uyguladığı kuvvetle meydana geldiği belirlenmiştir. İnsan kabiliyetlerinin standartları bakılarak benzer yük durumları oluşturulmuştur. Mekanik üç noktalı eğilme testi, bu yükler altında plakanın mukavemetini belirlemek için kullanılmıştır. Çekme testleriyle doğrulanmış PLA malzeme verileri ve eklemeli imalat için geliştirilen basitleştirilmiş simülasyon modeli, benzer sınır koşullar belirlenerek yeni modellerde uygulanmıştır. Petek yapılar için parametrik plaka tasarımları sonrasında, doğrusal analitik çözüm geliştirilmiş ve üç noktalı eğilme testi altında FE modellerinin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, hiyerarşik petek yapıların mekanik özelliklerini başarılı bir şekilde simüle eden ve analitik olarak doğrulayan bir yöntem sunmuş, aynı zamanda bu yapıların havacılık bileşenleri için umut vadedici potansiyelini göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Businesses have made significant progress in production methods by investing in technology in order to reduce costs and increase efficiency. These progresses are especially notable with additive manufacturing, which has a wide range of applications. Additive manufacturing increases production efficiency by offering a more effective way compared to traditional methods in the production of complex shaped parts. In addition, this technology leads to the creation of new business models, supply chain changes and the transformation of product development processes. The aviation industry has made great progress in recent years as a pioneer of additive manufacturing technology and there has been a rapid increase in the number of aircrafts. With increasing demands, manufacturers need to produce more efficient, safe and eco-friendly aircrafts. Engineers must meet a number of requirements when designing lightweight and durable aircraft components. However, current traditional production methods lead to high costs and design complexity in the production process, limiting the functionality of the components. For this reason, a comprehensive research and development study is being carried out on new production and design techniques. In line with this goal, it is expected that existing structural techniques and material technologies will be re-evaluated with modern technology and higher performance structures will be obtained in the future. The adaptation of AM technology to direct part production will change this process in a positive way. Sandwich panels play an important role in the aerospace industry due to their high bending stiffness/weight ratio and usually include honeycomb core structures. Honeycomb structures are widely used in modern aircraft design due to their lightness and strength; however, they have limitations such as limited strength and not being suitable for surfaces with complex curvatures. Cores are formed by processing a block structure into the desired form, which increases the waste rate in the production process and leads to various uncertainties. To overcome these challenges, innovations are needed in the production methods and pattern designs of core structures. Natural structures exhibit a complex and hierarchical organization from nanometer to macroscopic scales, facilitating the design of more advanced and functional materials. This approach allows the development of lighter, stronger and more functional structures by overcoming the limitations of traditional materials. Hierarchical structures are created by methodically incorporating small geometries at certain levels, and literature shows that these structures have higher specific strength and modulus values than traditional honeycomb structures. The combination of additive manufacturing technology with hierarchical honeycomb structures makes it possible to achieve desired features in aircraft sandwich designs through customization at affordable costs. The current study will provide a new look at the potential of AM technology to overcome the limitations in honeycomb production and its integration in aerospace structural applications. In the first part of the thesis, the mechanical properties of the test specimens produced with 3D printers will be determined experimentally and verified with simulation models. Determination of basic material properties is critical for the accurate characterization of hierarchical honeycomb structures. The building orientation has a great impact on the anisotropic properties, surface quality and cost of 3D printed parts. In the study, the effect of build orientation on mechanical performance was investigated while keeping all other process parameters constant. Tensile tests were performed on the produced PLA specimens and the results were analyzed by comparing with static structural simulations. In the current study, a faster and more effective finite element analysis approach is proposed to evaluate the mechanical performance of components produced with additive manufacturing. The time-consuming nature of the algorithms was emphasized in the study, but the simulation process was simplified with realistic assumptions. FE modeling accurately simulated the mechanical behavior of FDM components and high accuracy rates were achieved. In the second part of the thesis, the mechanical behaviors of hierarchical honeycomb core structures at different levels integrated into the armrest plate selected from an aircraft cockpit were investigated. It was determined that the most critical load case of the armrest occurred with the force applied to the middle part of the plate by the pilot while sitting or standing. Similar load cases were created by looking at the standards of human capabilities. A mechanical three-point bending test was used to determine the strength of the plate under these loads. PLA material data verified by tensile tests and a simplified simulation model developed for additive manufacturing were applied to new models by determining similar boundary conditions. After the parametric plate designs for honeycomb structures, a linear analytical solution was developed and compared with the results of FE models under a three- point bending test. As a result, this study presented a method that successfully simulated and analytically verified the mechanical properties of the produced hierarchical honeycomb structures and also showed the promising potential of these structures for aerospace components.

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

    965805

    Additive manufacturing of inherently porous polymers: Polymerized high internal phase emulsion (polyHIPE) structures via vat photopolymerization

    Doğal olarak gözenekli polimerlerin eklemeli imalatı: Tekne fotopolimerizasyonu yoluyla polimerize edilmiş yüksek iç fazlı emülsiyon (polyHIPE) yapılar

    NİHAN ŞENGÖKMEN ÖZSÖZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Polimer Bilim ve TeknolojisiThe University of Sheffield

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FREDERİK CLAEYSSENS

  3. Tez No

    823070

    An experimental and numerical study on the effects of nanoadditives and material extrusion parameters on the mechanical and flexural characteristics of ABS/PVC blend polymer core sandwich panels

    ABS/PVC karışık polimer çekirdekli sandviç panellerin mekanik ve eğılme karakteristikleri üzerine nano katkı maddeleri ve malzeme ekstrüzyon parametrelerinin deneysel ve sayısal incelemesi

    DENİZ GÜRAY GENCAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MIRSADEGH SEYEDZAVVAR

    PROF. DR. CEM BOĞA

  4. Tez No

    902345

    Development of high density polyethylene based composites for additive manufacturing used in shipbuilding industry

    Gemi inşaati endüstrisindeki eklemeli imalatta kullanılmak üzere yüksek yoğunluklu polietilen esaslı kompozit malzeme geliştirilmesi

    AYBERK SÖZEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Gemi MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖKDENİZ NEŞER

  5. Tez No

    748612

    Molecular dynamıcs analyses and experımental ınvestıgatıon ın the effects of the nanoaddıtıves on the thermo-mechanıcal propertıes and fracture toughness of bıodegradable polylactıc thermoplastıc

    Parçalanabilen polilaktik asit termoplastiklere nano katki maddelerinin ilavesinin termo-mekanik özellikleri̇ ve kırılma tokluğu üzerindeki etkilernin moleküler dinamik analizleri ve deneysel olarak incelenmesi

    BURÇAK ZEHİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM BOĞA

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MIRSADEGH SEYEDZAVVAR

Geri Dön