Aviyonik sistemlerde kullanılan lehim bağlantılarının titreşim kaynaklı yorulma incelemesi
Vibration fatigue investigation of solder joints used in avionic systems
Yazar: NAİL KAYA
Danışman: PROF. DR. ÖMER KELEŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, aviyonik sistemlerde kullanılan lehim bağlantılarının titreşim kaynaklı yorulma davranışları incelenmiştir. Lehim bağlantılarının modellenmesinde delikli baskı devre kartı teknolojisi esas alınmıştır. Sayısal yorulma incelemeleri için aviyonik sistemlerde kullanılan 24 katmanlı bir elektronik devre detaylı olarak modellenmiştir. Elektronik devreye ait baskı devre kartının mekanik özellikleri sandviç kompozit yöntemi ve sonlu elemanlar yöntemi ile belirlenmiştir. Elektronik devrenin sonlu elemanlar modeli kullanılarak sırasıyla modal analiz, frekans cevap fonksiyon analizi ve yorulma analizleri gerçekleştirilmiştir. Modal analiz sonuçları çekiç testi ile de kontrol edilmiştir. Yorulma analizlerinde frekans düzlemi kullanılmıştır. Tayf yoğunlukları zaman düzleminde toplanan ivme verilerinden elde edilmiştir. Frekans düzleminde hasar hesabı Dar Bant, Steinberg, Lalanne ve Dirlik hasar olasılık fonksiyonlarına göre yapılmıştır. Elde edilen hasarlar Miner yöntemiyle toplanmış ve lehim bağlantılarının sayısal yorulma ömürleri belirlenmiştir. Sayısal analizlere ek olarak bir deney düzeneği oluşturulmuş ve lehim bağlantılarının yorulma ömrü deneysel olarak da belirlenmiştir. Deneyler ivme tayf yoğunluklarının indirgenmiş titreşim profilleri ile gerçekleştirilmiştir. İvme tayf yoğunluklarının indirgenmesi ve test süresinin belirlenmesi de kapsamlı olarak açıklanmıştır. Sayısal ve deneysel sonuçlar incelendiğinde; lehim bağlantı bölgelerinin sayısal yorulma ömürlerinin, deneysel yorulma ömrüne yakın olduğu görülmüştür. Ayrıca lehim bağlantılarından kaynaklanan hatalı test tekrarlarının geliştirilen bu yöntemle tasarım aşamasında önlenebileceği sonucuna varılmıştır. Tasarım ve analizlerde NX CAD, MSC Patran/Nastran, NCode, Matlab ve MS Excel ticari yazılım paketleri kullanılmıştır.

Abstract:
In this study, vibration induced fatigue behavior of solder joints used in avionic systems is investigated. Through hole printed circuit board technology is used for modeling of solder joints. A 24-layer electronic circuit is modeled in detail for numerical fatigue analysis. The mechanical properties of the card used in electronic circuits are determined by means of finite element and sandwich composite methods. Modal analysis, frequency response function analysis and fatigue analyses are performed using detailed finite element model of the electronic circuit. Results of the modal analysis are also checked by hammer test. Frequency domain is used in fatigue analysis. Vibration data of time domain are used to generate acceleration spectral densities. Damage calculations in the frequency domain are done according to Narrow Band, Steinberg, Lalanne and Dirlik damage probability density functions. The accumulated damage is obtained with the use of Miner method and numerical fatigue lives of solder joints are calculated from this damage. Moreover, a test setup is presented to determine experimental fatigue life of solder joints. Experiments are performed with reduced vibration profiles of acceleration spectral densities. Reduction of acceleration spectral densities and determination of the vibration test duration are explanied in detail. Experimental and numerical results show that the fatigue lives of the solder joints obtained by the finite elements analyses are close to those obtained experimentally. Furthermore, the results show that failure of test repetitions caused by solder joints can be prevented during design stages with the help of this developed method. For design and analyses, NX CAD, MSC Patran/Nastran, NCode, Matlab and MS Excel commercial software packages are used.