Optimization of adhesively bonded joint under out of plane impact loading
Düzlem dışı darbe yüklemesi altında yapıştırma bağlantılarının optimizasyonu
- Tez No: 963401
- Danışmanlar: PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Bu tez çalışması, düzlem dışı darbe yüklemesine maruz kalan, yapıştırıcı ile birleştirilmiş metal ve kompozit plakaların optimize edilmesini konu almaktadır. Havacılık ve uzay mühendisliğinde yaygın olarak tercih edilen yapıştırıcı bağlantılar, mekanik bağlantı elemanlarına kıyasla daha düşük bir toplam ağırlık sağlamalarının yanı sıra, yükün daha homojen bir şekilde dağıtılmasına olanak tanımaktadır. Ancak, bu tür bağlantılar darbe kaynaklı yüklemelere karşı oldukça hassastır ve mikroskobik düzeyde oluşabilecek görünmeyen hasarlar yapısal bütünlüğü ciddi şekilde tehdit edebilir. Bu nedenle, bu bağlantıların güvenli ve verimli çalışmasını sağlamak için dikkatli bir analiz ve tasarım süreci gereklidir. Çalışma, üç ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, yüksek mukavemetli bir alüminyum alaşımı olan AL7050'nin düzlem dışı darbe yüklemesi altındaki davranışı incelenmiş ve bu bağlamda kalınlık parametresi dikkate alınarak bir optimizasyon süreci gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, LS-DYNA yazılımı kullanılarak çeşitli kalınlık değerlerine sahip plakaların sonlu eleman analizleri yapılmış, her bir analiz sonucunda elde edilen von Mises gerilmesi ve toplam kütle gibi çıktılar kullanılarak Kriging yöntemi ile metamodel (yaklaşım modeli) oluşturulmuştur. Oluşturulan bu modeller, yeni analiz yapmaya gerek kalmadan farklı tasarımların tepkilerini tahmin etme olanağı sağlamıştır. Optimizasyon aşamasında, MATLAB yazılımı içinde yer alan gamultiobj fonksiyonu kullanılmış ve genetik algoritma temelli çok amaçlı bir optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Bu sürecin temel hedefi, von Mises gerilmesini ve toplam plakaya ait kütleyi en düşük seviyeye indirmektir. Gerçekleştirilen analiz ve optimizasyon sonucunda, belirli güvenlik katsayıları altında kalan ve yapısal dayanımı koruyarak malzeme verimliliğini artıran optimum kalınlık değerleri elde edilmiştir. AL7050 plakalarına ait sonlu eleman analizleri, LS-DYNA yazılımı aracılığıyla gerçekleştirilmiştir ve bu analizlerde farklı darbe senaryoları dikkate alınmıştır. Plakanın dört kenarındaki tüm düğüm noktalarına x, y ve z eksenlerinde sıfır yer değiştirme atanarak yer değiştirme sınır şartı uygulanmıştır. Darbe uygulayıcısı (impactor) olarak düşey doğrultuda hareket eden, belirli bir hızda sabit çarpmaya sahip çelik bir bilye seçilmiş ve plakanın tam merkezine çarpması sağlanmıştır. Bu yapılandırma ile plaka kalınlığı tasarım değişkeni olarak tanımlanmış ve her kalınlık için farklı çıktı verileri elde edilmiştir. Oluşan bu veriler yardımıyla Kriging yaklaşım yöntemi kullanılarak sistemin davranışını yaklaşık olarak tahmin eden metamodel oluşturulmuştur. Böylece her tasarım değişikliği için yeniden simülasyon yapmaya gerek kalmadan, zamandan ve işlem gücünden önemli ölçüde tasarruf sağlanmıştır. Elde edilen maksimum gerilme ve kütle verilerine dayalı olarak, çok amaçlı optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Bu tür çoklu hedef problemlerinde yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biri, tüm hedef fonksiyonlara belirli ağırlıklar atayarak tek bir toplam amaç fonksiyonu oluşturmaktır. Bir diğer etkili yöntem ise, farklı hedefler arasında en iyi dengeyi sağlayan çözümleri içeren Pareto cephesi yaklaşımıdır. Bu çalışmada, tasarımlar arasındaki en uygun denge noktalarını görmek amacıyla Pareto cephesi yöntemi tercih edilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise, dokuma yapıya sahip AS4 8552 karbon reçine kompozit plakanın düzlem dışı darbe altındaki tepkisi incelenmiş ve buna yönelik bir optimizasyon süreci gerçekleştirilmiştir. Bu bölümdeki temel hedef, darbe enerjisinin mümkün olduğunca fazla miktarda emilmesini sağlarken, aynı zamanda yapıda herhangi bir hasar oluşmasını önlemek ve toplam yapısal kütleyi minimize etmektir. Bu doğrultuda, tasarım parametreleri olarak toplam katman sayısı ve katman açısı belirlenmiş, her bir katman sadece 0° veya 45° yönelimlerinden birine sahip olacak şekilde sınırlandırılmıştır. Ayrıca, laminatın simetrik olacak şekilde serilmesi sağlanmıştır; yani laminat yapısı, orta düzleme göre simetrik olarak tanımlanmıştır. LS-DYNA ortamında oluşturulan sonlu eleman modellerinde, metal plaka analizinde olduğu gibi düşey hızla hareket eden bir çelik bilye kullanılmıştır. Kompozit plakaların kenarlarına, metal plakada olduğu gibi yer değiştirme sınır koşulu uygulanmıştır. Başlangıç modeli olarak [0]16 yönelimine sahip bir yapı tanımlanmış ve ardından Python betikleri yardımıyla toplamda 496 farklı laminat serilim kombinasyonu oluşturulmuştur. Bu kombinasyonlardan 155 tanesi analiz girdisi olarak kullanılmış ve LS-DYNA'da çözülmüştür. Elde edilen sonuç verileri, daha sonra metamodel oluşturmak amacıyla kullanılmıştır. Simülasyon sonuçlarından elde edilen gerilme değerleri aracılığıyla Hashin hasar indeksi hesaplanmıştır. Hashin hasar kriteri, kompozit malzemelerde meydana gelen lif ve reçine hasarlarını ayrı ayrı değerlendiren ve çekme ile basma yüklemelerini dikkate alan bir yöntemdir. Bu kriter sayesinde, analiz edilen her konfigürasyonda hasar olup olmadığı belirlenmiştir. Hashin değeri 1'in üzerine çıktığında, o yapı başarısız olarak kabul edilmektedir. Pek çok farklı hasar kriteri bulunsa da, çalışmanın içeriği ve yükleme türü göz önünde bulundurularak Hashin kriteri bu analizler için uygun görülmüştür. Özellikle havacılık sektöründe, yapısal bileşenlerin mümkün olduğunca hafif tasarlanması büyük bir öneme sahiptir. Çünkü daha hafif yapılar, yakıt verimliliğini artırmakta, taşıma kapasitesini iyileştirmekte ve genel performansı olumlu yönde etkilemektedir. Bu nedenle, yapının ağırlığını azaltmak, tasarım iyileştirme sürecinde ilk göz önüne alınan ve öncelikli olarak ele alınan hususlardan biridir. Bu çalışmada kullanılan kompozit yapılar farklı sayıda katmana sahip olacak şekilde modellenmiştir. Katman sayısının artması, doğal olarak yapının toplam kütlesini de artırmaktadır. Plakaların kütle bilgisi, her bir analiz sonrası elde edilen çıktı dosyalarından okunmakta ve bu şekilde doğrudan değerlendirme yapılabilmektedir. Bu yöntem, özellikle karmaşık katman yapısına sahip modellerde, ağırlık değerinin doğrudan ve pratik biçimde elde edilmesine olanak tanımaktadır. Kompozit malzemelerin darbe yükleri altındaki davranışı incelenirken dikkat edilmesi gereken bir diğer önemli konu ise, çarpan cismin taşıdığı enerjinin ne kadarının plaka tarafından emilebildiğidir. Kompozit plakanın, herhangi bir kırılma, hasar ya da yapısal başarısızlık yaşamadan, üzerine gelen darbeyi sönümleyerek daha yüksek bir enerji miktarını emmesi, tercih edilen ve hedeflenen bir davranış biçimidir. Bu çalışmada, kompozit plakanın emdiği enerji miktarı, analiz çıktı dosyalarından elde edilen başlangıç enerjisi ve son enerji değerleri kullanılarak hesaplanmıştır. Bu hesaplama sayesinde, her analiz için yapının darbe enerjisini ne ölçüde sönümleyebildiği sayısal olarak belirlenmiştir. Gerçekleştirilen analizlerin ardından elde edilen çıktı dosyalarından, üç temel büyüklük elde edilmiştir: Hashin hasar kriteri değeri, plaka tarafından emilen enerji miktarı ve toplam ağırlık değeri. Bu değerler, her bir analizde kullanılan farklı giriş (input) parametreleriyle eşleştirilerek, bu ilişkiyi modelleyen yaklaşım (metamodel) modelleri oluşturulmuştur. Hashin indeksi, ileride optimizasyon sırasında bir kısıtlayıcı (constraint) olarak kullanılacak olup, sadece hasarsız çözümlere izin verecektir. Diğer iki çıktı olan emilen enerji ve ağırlık ise, optimizasyon sürecinde birbirine zıt yönlü amaç fonksiyonları olarak tanımlanmış ve böylece tasarımlar arasında en iyi dengeyi bulmak için çok amaçlı bir optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın son aşamasında, önceki bölümlerde ayrı ayrı optimize edilen metal ve kompozit plakaların, bir yapıştırıcı aracılığıyla birleştirilerek oluşturduğu bütünsel bir bağlantı yapısının optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada, metal ve kompozit plakalar belirli bir bindirme alanı çerçevesinde yapıştırıcı ile birbirine bağlanmış olarak modellenmiştir. Böylece, iki farklı malzeme davranışına sahip olan yapı bileşenleri, birlikte çalışan bir hibrit sistem olarak ele alınmıştır. LS-DYNA ortamında yapılan bu modelleme sürecinde, daha önceki optimizasyonlarda da olduğu gibi, metal plakanın kalınlığı, kompozit plakanın toplam katman sayısı ve her bir katmanın açıları tasarım değişkenleri olarak tanımlanmıştır. Bu değişkenlerin her biri belirli aralıklarla tanımlanmış ve kombinasyonları oluşturularak geniş bir tasarım uzayı elde edilmiştir. Ancak bu tasarım uzayında yer alan tüm kombinasyonların analiz edilmesi, yüksek sayıda sonlu eleman analizi gerektirdiği için oldukça zaman alıcı ve hesaplama maliyeti açısından verimsiz olabilmektedir. Bu nedenle, tüm olası tasarım kombinasyonları arasından rastgele bir örnekleme yöntemiyle sınırlı sayıda analiz için gerekli giriş verileri seçilmiştir. Seçilen bu örneklerin her biri için LS-DYNA kullanılarak analizler gerçekleştirilmiş ve bu analiz sonuçları, yaklaşım modellerinin eğitilmesi amacıyla kullanılmıştır. Böylece, farklı tasarımların sonuçları doğrudan simülasyon yapılmadan tahmin edilebilir hale getirilmiştir. Yapıştırıcı ile bağlanmış bu iki plakanın oluşturduğu yapı sistemi için optimizasyon sürecinde iki ana amaç fonksiyonu belirlenmiştir: plaka tarafından emilen toplam darbe enerjisinin maksimum seviyeye çıkarılması ve tüm yapının toplam ağırlığının mümkün olan en düşük seviyeye indirilmesi. Bu hedefler, yapının darbe dayanımını artırırken, hafifliğini koruyarak performans ve verimlilik açısından dengeli bir tasarım sağlamayı amaçlamaktadır. Bu optimizasyon sürecinde kullanılan kısıtlayıcılar ise, kompozit plaka için Hashin hasar kriteri, metal plaka için ise von Mises gerilme değeri olarak belirlenmiştir. Yani, sadece bu sınır değerleri aşmayan ve güvenli olduğu kabul edilen çözümler geçerli sayılmıştır. Bu kapsamda, analiz çıktılarından elde edilen dört temel büyüklük, emilen enerji miktarı, yapının toplam kütlesi, Hashin kriteri değeri ve metal plakanın maksimum von Mises gerilmesi için ayrı ayrı yaklaşım modelleri oluşturulmuştur. Bu modeller, genetik algoritma tabanlı çok amaçlı optimizasyon sürecinde hem hedef hem de kısıt fonksiyonu olarak görev yapmıştır. Sonuç olarak, bu aşamada oluşturulan sistematik yaklaşım ile hibrit bir bağlantı yapısının tasarımı, hem performans hem de ağırlık açısından optimize edilerek en uygun yapı konfigürasyonları elde edilmiştir. Bu tez çalışmasında, yapıştırıcı ile birleştirilmiş metal ve kompozit plakaların düzlem dışı darbe yükleri altındaki davranışları incelenmiş ve bu yapıların çok amaçlı optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Çalışma üç ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde AL7050 alüminyum plakasının kalınlık optimizasyonu yapılmış, ikinci bölümde ise AS4 8552 dokuma kompozit plakanın katman sayısı ve açılarına göre serilim optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Her iki bölümde de LS-DYNA kullanılarak darbe analizleri yapılmış, analiz çıktılarından elde edilen gerilme, kütle, emilen enerji ve Hashin kriteri değerleriyle Kriging metamodeli oluşturulmuştur. Optimizasyon süreci MATLAB ortamında genetik algoritma yardımıyla yürütülmüş, amaç fonksiyonları olarak yapısal ağırlık ve emilen enerji kullanılmıştır. Son bölümde ise bu iki plaka yapıştırıcıyla birleştirilmiş hibrit bir yapı olarak modellenmiş ve sistem düzeyinde optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, hem kompozit hem de metal plaka için kısıtlayıcılar tanımlanmış ve yaklaşım modeli temelli çok amaçlı optimizasyonla en uygun yapı konfigürasyonları elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the optimization of adhesively bonded metal and composite plates subjected to out of plane impact loading, with the aim of enhancing structural performance and reducing weight. Adhesively bonded joints are increasingly preferred in aerospace applications due to their advantageous mechanical performance and ease of manufacturing compared to conventional fasteners. However, they remain sensitive to impact loads, which can reduce the structural integrity of the assembly. The study is divided into three main parts. In the first part, the thickness of an aluminum alloy plate, AL7050, is optimized under impact loading. Finite element simulations are created using LS-DYNA to generate training data. Kriging surrogate models are built to estimate two objective functions: von Mises stress and total mass. The optimization process is carried out using the multiobjective genetic algorithm, gamultiob, in MATLAB, resulting in a Pareto front of optimal thickness values. This approach enables an effective trade-off between minimizing stress and minimizing mass while maintaining a specified safety factor. The second part of the study focuses on optimizing a woven composite plate, AS4 8552, subjected to impact loading. The primary goal is to maximize absorbed energy while minimizing mass. The stacking sequence and total number of plies are treated as design variables, selected from discrete values, the orientation angle is selected as (0o and 45o) and number of plies vary 8 from 16 for symmetric laminate. LS-DYNA simulations are used to impact model inputs and outputs, and Python scripts automate the generation of stacking sequence combinations. The Hashin failure index is used as a constraint to eliminate fail configurations. Metamodels are created using the Gaussian Process Regression (GPR) method to predict absorbed energy and mass for different laminate designs. These models help estimate the results without running a full simulation each time. Then, a genetic algorithm is used to find the best designs by trying many different combinations. The goal is to find laminate configurations that can absorb a high amount of impact energy while keeping the weight as low as possible. In addition, only the designs that meet the required Hashin failure index limit is accepted. In the third section, the optimization of the adhesively bonded joint is performed. Input and output data are obtained from LS-DYNA simulations. The design parameters include the aluminum plate thickness, the stacking sequence, and the number of plies. The objective functions are the total mass and the maximum von Mises stress on aluminum plate. The constraints are defined by the Hashin failure index for the composite plate. This thesis presents an efficient design approach for adhesively bonded joints by combining finite element analysis with LS-DYNA, metamodels and multiobjective optimization with genetic algorithms. The proposed method helps reduce simulation time while maintaining safety and performance, supporting the use of composite and metal bonding structures in aerospace and automotive applications.
Benzer Tezler
- Multifaceted characterization and optimization of aerospace grade thermoplastic composites joints: Advances in surface treatments, mechanical performance, and environmental resilience
Havacilik ve uzay sinifi termoplastik kompozit bağlantilarin çok yönlü karakterizasyonu ve optimizasyonu: Yüzey işlemleri, mekanik performans ve çevresel koşullarda dayaniklilik alanindaki gelişmeler
CEREN YILDIRIM
Doktora
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- Denizel çelik-kompozit yapıların optimizasyonu
Optimization of steel-composite marine structures
NURHAN NEŞER
Doktora
Türkçe
2012
Gemi MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiDeniz Bilimleri ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇİÇEK ÖZES
- Hibrit yapıştırma bağlantısı viskoelastik davranışının teorik ve nümerik olarak incelenmesi
Theoretical and numerical investigation of viscoelastic behavior of hybrid adhesive joints
MUSTAFA ÇAY
Doktora
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİL ÖZER
- Metal ve polimer malzemelerin yapışma bağının sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi ve analiz edilmesi
Modeling and analyzing the adhesive bond of metal and polymer materials using the finite element method
FAİK FATİH KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR ÇAVDAR
- Experimental analysis and modeling of shear strength of adhesive-bonded single-lap glass fiber reinforced composites
Yapıştırıcı ile bağlanmış tek bindirmeli cam elyaf takviyeli kompozitlerin kesme dayanımının deneysel analizi ve modellenmesi
SERTAÇ SERBEST
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE SEÇİL ARTEM