Geri Dön

Investigation of the effect of radial bolt connections on structural behavior in cylindrical CFRP bodies by finite element analysis

Silindirik CFRP gövdelerde radyal cıvata bağlantılarının yapısal davranışa etkisinin sonlu elemanlar analizi ile incelenmesi̇

PDF İndir

  1. Tez No: 948594
  2. Yazar: KUBİLAY SAZAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. DEMET BALKAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 53

Özet

Roket ve füze sistemleri, kullancı tarafından talep edilen ana görev doğrultusunda tasarlanmaktadır. Bu ana görev gereksinimine göre, alt sistem gereksinimleri ortaya çıkmaktadır. Alt sistemler, hem elektroniksel hem de mekanik işlevlere sahip olabilmektedir. Bu işlevlere bağlı olarak alt sistemler, boyutlarına göre roket üzerinde bir bölge veya bir bölge içerisindeki küçük bir modül olarak paketlenebilmektedir. Alt sistemler, işlevlerinin doğru yerine getirebilmeleri için üst sistem olan roketten bazı gereksinim taleplerinde bulunabilmektedir. Örneğin, roketlerde ivlenme hakkında veri üreten ataletsel ölçüm birimi (AÖB) güdüm içerisinde yer alan bir alt sistemdir. Ancak AÖB, doğru ölçüm verileri sunabilmek için roket sisteminden eksenelliğin bozulmamasını talep etmektedir. Bu sebeple, manevra altında gövdeler arasında oluşacak deplasmanın kalıcı olması eksenelliği bozarak AÖB'nin yanlış hesaplama yapmasına sebep olabilmektedir. Bu sebeple, gövdelerin katılığı doğrudan uçuşu etkileyen önemli bir parametredir. Roketler, aerodinamik olarak daha verimli bir performansa sahip olmaları için genellikle silindir gövdelerden tasarlanmaktadır. Bu gövdelerin birleştirilmesi için literatürde birden fazla yöntem bulunmaktadır. Bu çalışma kapsamında, iç içe geçme bağlantı tipi üzerine çalışılmaktadır. Bu bağlantı tipinde, 6 serbestlik derecesinden 4 tanesi oluşturulan şekil bağı ile kısıtlanmaktadır. Geri kalan 2 serbestlik derecesi olan uçuş yönünde ayrılma ve rotasyon serbestlikleri de radial pin veya civatalar ile engellenmektedir. Bu çalışma kapsamında, roket gövdelerinin yapısal bağlantılarında radyal cıvata bağlantıları kullanılmaktadır. Roketlerin uçuş safhasında maruz kalacakları yüksek sıcaklık ve yüklerden kaynaklı, çoğunlukla metal gövdeli tasarımlar tercih edilmektedir. Ancak, bu durum yapısal olarak ağırlığı arttırmaktadır. Ayrıca, açık lançerlerden yapılan roket atışlarında roketler doğrudan iklim koşullarına maruz kalmaktadır. Bu durumda metal gövdeli roketlerde paslanma durumu meydana gelebilmektedir. Ağılık hafifletme ve açık atış gibi koşullar göz önünde bulundurulduğunda kompozit gövdelerin kullanımı önem arz etmektedir. Ancak, yukarıda bahsedildiği üzere yüksek yapısal dayanıklılık ve termal gereksinimlere göre tasarımın optimize edilmesi gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında, yüksek katılık istenildiği için cam fiber ve yüksek maliyeti sebebiyle ise kevlar fiber malzemlerin seçimi tercih edilmemiştir. Bu doğrultuda, karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) malzemesi seçilmiştir. Metal gövdeli roketlerde, aerodinamik sürüklenmeyi azaltmak için radial cıvataların başları özel boşaltmalar ile gövdeye gömülmektedir. Ancak bu yöntem, CFRP malzemeli gövdelerde fiber bütünlüğünün bozulmasına ve yapısal katılığın düşmesine sebep olmaktadır. Böylelikle çalışma kapsamında, CFRP'den üretilen iç içe geçen iki silindir yapının radyal cıvata bağlantıları ve cıvata başı boşaltma derinliğinin yapısal katılığa üzerindeki etkisi sonlu elemanlar yöntemi ile analiz edilmiştir. Analizler, civata başı gömülme derinliği 1 mm, 2 mm, 3 mm ve hiç boşlatma olmayacak şekilde 4 konfiügrasyon olarak gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerin sonucu olarak, mühendislik tasarım pratiğine göre civata kafası boşaltması olmayan konfigürasyonun fiber yönelimini en az deforme etmesi sebebiyle en yüksek katılığa sahip olacağı beklenmektedir. Ancak bu analizler çerçevesinde, düz civata kafasına silindirik gövde teması olacağı sebebiyle, yüksek gerilme yığılmaları görülmesi beklenmektedir. Bu duruma bağlı olarak, boşlatma olmayan konfigürasyonun beklenenin aksine en yüksek dayanım içeren konfigürasyon olmadığı iddia edilmektedir. Analizler için öncelikle tanımlanan katı model mesh atılarak Ansys ACP modülüne aktarılımıştır. ACP içerisinde katmanlandırma çalışması yapılarak statik yapısal analiz modülünde yükleme bilgileri, temas bölgeleri ve sınır koşulları tanımlanmıştır. Ayrıca civatalar da kiriş elemanı olarak başka bir geomeri modülünde modellenmiş ve aynı statik yapısal modüle gömülmüştür. Civata kafasının gövdeye etkisi, kiriş elemanın nodları ile temas alanındaki nodlar arasındaki temas tanımlaması ile yapılmıştır. Analizler öncesinde, ACP modülü üzerindeki modellemeyi doğrulamak amacıyla basit bir model üzerinde çekme deneyi modellemesi yapılmıştır. Bu ön analiz doğrultusunda, düz bir CFRP plaka üzerindeki civata yüklemesini inceleyen çekme testi çalışması temel alınmıştır. Literatürde belirtilen konu üzerine birçok çalışma mevcuttur. Seçilen çalışma ise, asıl analizlerde kullanılacak katmanladırma modeline en yakın dizlime sahip olması sebebiyle tercih edilmiştir. CFRP malzemeli plaka, öncelikle ACP modülünde modellenmiş ve statik yapısal analiz ile çalışmada beyan edilen yüklemenin etkisi incelenmiştir. Ek olarak, çalışmada beyan edilen 2 farklı numune üzerinde analiz çalışması gerçekleştirilerek analizin doğruluk oranı arttılmak amaçlanmıştır. Temel alınan çalışmada, 0.254 mm deformasyon görüldüğü beyan edilmektedir. Analizler kapsamında ise 0.271 ve 0.233 deformasyon miktarları tespit edilmiştir. Hata oranı ise %6.7 ve %8.3 olarak elde edilmiştir. Bu hatanın kök nedeni olarak ise, malzeme karakterizasyon farkları, ağ yapısı ve modelleme yanlışları oluşturmaktadır. Asıl analizlerin sonucu olarak, maksimum gerilme, toplam deformasyon miktarı ve en yüksek kompozit elemanın geri dönülemez hasara uğradığı üst civatanın etki alanındaki hasara uğrayan eleman miktarı elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar üzerinden şu çıkarımları yapmak mümkündür, Civatalar ve silindir gövde arasındaki temas yüzeyi sebebiyle, hiç boşaltma olmayan konfigrasyonda elde edilen gerilme (903.79 MPa), 1mm boşaltma olan konfigürasyona (792.01 MPa) göre yüksek çıkmaktadır. Bu durum, gevrek bir yapıda olan matris elemanı yani polimer malzeme için çatlak oluşumuna sebep olma ihtimaline sahiptir. Özellikle yüksek uçuş süresine sahip görevlerde, bu gerilme yığılmasına bağlı çatlak oluşumu ve ilerlemesi görülmesi ihtimali bulunmaktadır. Maksimum gerilme keza 1 mm'lik konfigürsayondan 2 mm'lik konfigürasyona geçerken de azalmaktadır. Ancak, 2 mm'lik durumda civataların temas ettiği alandaki gerilme yoğunluğu artmaktadır. Bu duruma bağlı olarak, daha fazla elemanın yapısal bütünlüğü bozulmakta ve katılık düşmektedir. Civata gömülme derinliği artışı na bağlı olarak, deliksiz konfigürasyon ile 1 mm arasında % 6,2 katılık kazancı söz konusu iken, 1 mm'den 2 mm'ye geçerken % 25.7 ve 2 mm'den 3 mm'ye geçerken % 23 katılık kaybı gözlemlenmiştir. Manevra yükünün davranışından kaynaklı, civatalara etkiyen yük dağılımı civata pozisyonlarına göre değişmektedir. Yükün etki ettiği z ekseninde en üstte kalan civata en yüksek çekme yüküne maruz kalırken, en altta kalan civata ise en yüksek basma yüküne maruz kaldığı görülmüştür. Bu bağlamda, maksimum gerilme ve gerinimler bu civatalarda gözlemlenmiştir. Bükme yükünün nötral eksenine yaklaştıkça, o bölgedeki civatalarda yük oluşmadığı tespit edilmiştir. Civatalara etkiyen yükün dağılımı doğrudan manevraya yönüne bağlı olarak değişmektedir. Bu sebeple, tasarım aşamasında manevra yönü detaylıca tanımlanırsa civata bölgelerinin dayanımları da detaylıca tasarlanma imkanına sahip olmaktadır. Katman kalınlıkları, fiber oryantasyonu ve civata tipi manevranın detaylandırmasına bağlı olarak değiştirilebilecek parametrelerdir. Literatürde CFRP ve mekanik bağlantı modellemesi genellikle plakalar ile incelenmiştir. Bu çalışmaya en benzer olan çalışmalar kapsamında ise, kompozit basınçlı silindir tank uygulamaları bulunmaktadır. Bu çalışmada silindirik yapıların bükülme kuvveti altında incelenmesiyle literatüre farklı bir bakış açısı kazandırılması amaçlanmaktadır. Ayrıca, literatürdeki birçok uygulamada modelleme kabuk eleman olarak yapılmıştır. Bu yönü ile çalışma literatürdeki katı eleman modellesi ile de farklı bir yere sahiptir. Analizlerin modellemesi kapsamında, bazı dinamikler basitleştirilmiş olup, bazı varsayımlarda bulunmuştur. Bu durumlar sebebiyle gerçek koşullardan uzaklaşılmıştır. Örneğin modelleme kapsamında, uçuş sırasında ortaya çıkacak aerodinamik ısınmanın malzeme dayanımına etkisi, titreşimin bağlantı bölgesindeki etkisi ve irtifa değişiminden kaynaklı azalan dış basınç etkisi gibi etkilerin olmadığı varsayılmıştır. Civataların dişlerinin doğrudan kompozit gövdeye açılan dişlerden destek aldığı düşünülmüştür. Bu sebeple, yük altında dişlerin sıyırmadığı ve civataların gövdesinde yapısal olarak deformasyon olmadığı kabul edilmiştir. Ek olarak modelleme mentalitesi olarak, süperpozisyon yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem ile sadece bağlantı bölgesine odaklanılmış olup yapı daha küçük bir halde analiz edilmiştir. Bu çalışmanın analiz temelli olması sebebiyle, analizlerin detaylandırılması ve test edilerek doğrulanması gibi birçok gelecekte yapılabilecek çalışma için temel niteliği taşımaktadır. Gelecek çalışmalarda ise bağlantı bölgelerine etki eden titreşim, sıcaklık değişimi ve şok gibi gerçek uçuş koşullarının da eklenerek analizlerin detaylandırılması düşünülmektedir. Ek tasarım çalışması olarak, deliklerde vida zırhı (helicoil) uygulaması yapılması ve bu uygulamanın civata dayanımına etkisi incelenebilir. Böylelikle varsayım miktarı da azaltılabilir. Ek olarak, yapılan bu analizlerin de gelecek çalışmalarda oda koşullarında bükme testlerinin gerçekleştirilmesi ve atışlı testler ile doğrulanması durumları da bulunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Rockets are generally designed with cylindrical bodies to have more aerodynamically efficient performance. For this reason, more than one method is used to join bodies. Among these methods, the butt lap joint method is often preferred for rocket bodies to transfer load in material strength and shape connection. In this context, radial bolt connections are mostly preferred to limit 6 DOF. Bolt heads are hidden with special cut-outs to reduce aerodynamic drag in rocket bodies made of metals. However, this method causes deterioration of fiber integrity and reduction in structural stiffness in carbon fiber reinforced polymer (CFRP) material bodies. Before the analyses on the cylindirical body, a tensile test model was performed on a simple plate model in order to verify the modeling on the ACP module. In line with this preliminary analysis, a tensile test study examining the bolt loading on a flat CFRP plate was taken as the basis. There are many studies on the subject mentioned in the literature. The selected study was preferred because it has the closest alignment to the stacking up model to be used in the main analyses. The CFRP material plate was first modeled in the ACP module and the effect of the loading declared in the study was examined with static structural analysis. In the study, the accuracy rate of the analysis was increased by performing analysis on 2 models whose test results were shared. The error rate was obtained as 6.7% and 8.3%. The reason of this error is material characterization differences, mesh distribution and analyze modeling errors. Thus, it was shown that the analysis model worked correctly. Under rocket maneuver, the effect of bending force acts as tensile and compressive force on the radial bolts. In this study, the effects of radial bolt connections and bolt head clearance depth on structural stiffness of two-cylinder structures made of CFRP under bending load were investigated. Analyses were performed in Ansys ACP module using the finite element method. The effects of different depth configurations on stiffness were compared in terms of stiffness. It was observed that the displacement and maximum stress were higher than the 1 mm bolt head discharge when there was no planar contact surface for the bolt head. It was observed that the bolt head deformed the bodies until it transferred the load to a flat surface. It is evaluated that this situation poses a danger to the flight of the rocket. On the other hand, it was determined that structural stiffness decreased with the deepening of bolt head cuts. In the literature, CFRP and mechanical connection modeling have generally been examined with plates. In this study, it is aimed to provide a different perspective to the literature by through the analysis of cylindrical structures. In future studies, it is expected that the study will be detailed by adding flight conditions such as vibration and temperature to this connection area.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    467074

    Spider camların düzleme dik yükleme halinde gerilme analizi

    The behaviour of spider glass under out of plane loads

    EREN KALAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. İSMAİL GERDEMELİ

  2. Tez No

    553008

    Çift eksenli gerilme altında parçalı hopkinson basma çubuğu ile malzeme analizi

    Material analysis with the hopkinson pressure bar inbiaxial stress state

    SELİN GÜMÜŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU

  3. Tez No

    698493

    Alüminyum alaşımlı jantların çift eksen yorulma davranışının incelenmesi ve optimizasyonu

    Investigation and optimization of biaxial fatigue behavior of aluminium alloy wheels

    BURHAN KIVANÇ TAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OKAN ÖZDEMİR

  4. Tez No

    371476

    Kompozit malzemeler için yapı izleme ve bakım sistemi

    Structural health monitoring and maintanence system for composite materials

    MAHMUT PEKEDİS

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Makine MühendisliğiEge Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN YILDIZ

  5. Tez No

    398081

    The analytical and experimental investigation of force generation on V profile clamp

    V profil kelepçede kuvvet oluşumunun analitik ve deneysel incelenmesi

    ERKAN KAYACIK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR

Geri Dön