NiCoCrAlY+YSZ ile kaplanmış kanatçıklı diskin dinamik sonluelemanlar analizi ve toplu parametreli sistem ilemodellenmesi
Dynamic fem analysis and modeling of NiCoCrAlY+YSZ coated blisk with lumped parameter system
Yazar: MUSTAFA YİĞİT OTAY
Danışman: PROF. DR. VAHİT MERMERTAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde havacılık sektörü her geçen gün hızla gelişmekte ve ortaya çıkan yeni üretim yöntemleriyle kullanılan teknolojinin sürekli olarak ilerlemesi üzerine çalışmalar devam etmektedir.  Bu tez çalışmasında, havacılık endüstrisinin üzerine çalıştığı araştırma ve geliştirme faaliyetlerinin bir hedefi olan hafif, dayanıklı, etkili uçak yapılarının tasarımı ve analizine yönelik bir çalışma ele alınmıştır. Bu bağlamda, türbin motorlarında kullanılan yüksek hızlı dönen yüzeylere sahip entegre kanat ve disk yapıları olan kanatçıklı diskler, hava taşıtlarının performansını doğrudan etkileyen önemli bileşenler arasında yer almaktadır. Ancak, kanatçıklı diskler gibi bileşenlerde meydana gelen düzensizlikler, yapısal kusurları etkileyebilmekte ve hatta titreşim davranışlarını değiştirebilmektedir. Bu yapısal düzensizlikle; malzemeden kaynaklı düzensizlikler, üretim prosedürleri ve kullanım sırasında meydana gelen hasarlar gibi çeşitli faktörlerden kaynaklanabilmektedir. Bu nedenle, kanatçıklı diskler (blisk)'lerin doğal frekanslarını belirlemek ve bozulmaların bu frekansları nasıl etkilediğini anlamak son derece
önemlidir. Bu çalışmada, kaplanmış kanatlı bir diskin dinamik davranışını analiz etmek ve modellemek için toplu parametreli sistem kullanılmıştır. Parametreli sistemde, öncelikle sektörel bağlamda ilgili model kurulup devamında toplu parametre modeli ile sistem geneli incelenmiştir. İlerleyen aşamalarda çözüm yöntemine dair geliştirmede bulunulup mevcuttaki toplu parametreli sistemin serbestlik dereceleri arttırılmış ve çıkan sonuçlar sonlu elemanlar çözümü ile karşılaştırılarak sistemin optimizasyonu ve daha detaylı bir çözümleme tekniği ele alınmıştır. Ayrıca, bu çalışma blisklerde meydana gelen düzensiz titreşimlerin sert kaplamalar aracılığıyla düşürülmesi ve literatürdeki analitik çözüm yöntemlerine alternatif bir çözüm sunma amacını taşımaktadır. Sistemin doğal frekans değerlerinin incelenmesi ve analitiksonlu elemanlar çözümleri arasındaki hata paylarının yeni parametreli sistem ile azaltılması hedeflenmektedir. Çalışmanın ilk aşamasında, ilgili literatürde yapılan çalışmalar detaylı bir şekilde incelenmiş ve elde edilen bulgular, tezin yönünü belirlemede önemli bir rehberlik sağlamıştır. Ardından, kanatçıklı diskin çözümlemesinin temelini oluşturan sayısal analiz ve sonlu elemanlar model aşamaları için kullanılan yazılımların yöntem ve teknikleri detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Teorik bilgilerin edinilmesinden sonra, sonlu elemanlar simülasyon çalışmaları için sıklıkla tercih edilen bir dinamik analiz yazılımında kanatçıklı diske ait katı cisim geometrisine paralel ilgili parçanın önceden belirlenmiş sınır koşulları altında dinamik frekans analizi kurulumu gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda, analitik sistem modeli kurulmuş ve çözüm için gerekli parametrelerin elde edilmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır ve ilgili sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen veriler, yeni oluşturulan toplu kütle modeliyle sonlu elemanlar modelinden gelen sonuçların uyumlu olduğunu göstermiştir. Sayısal ve dinamik sistem çözümlemelerine ait sonuçlar ayrı bir bölümde detaylı bir şekilde paylaşılmıştır. Çalışmanın son bölümünde, genel bir değerlendirme yapılmış ve gelecekte yapılacak çalışmalar için öneriler sunulmuştur. Yapılan çalışma, kanatçıklı disklerde meydana gelen düzensiz titreşimlerin analizine ve sistem karakteristiklerinin incelenmesine yönelik bir katkı sunulması hedeflemektedir. Ayrıca, geliştirilmiş toplu parametreli sistem analitik ve sonlu elemanlar çözümleri arasındaki hata paylarını azaltma potansiyelini göstermektedir.

Abstract:
Today, the aviation industry has been developing rapidly day by day, and studies going on the continuous improvement of technology used with new production methods. In this thesis, a study on the design and analysis of light, durable and effective aircraft structures, that is a target of research and development activities on which the aviation industry has been working, is discussed. In this context, bladed discs with integrated blade and disc structures with high-speed rotating surfaces used in turbine engines are among the important components that directly affect the performance of aircraft. On the other hand, irregularities in components such as finned discs can affect structural defects and even change their vibration behavior. With this structural issues; irregularities from the material can be caused by a variety of factors, such as manufacturing procedures and damage during use. Specifically, the effects of the mistuning behavior can be described as modal coupling, mode localizations, energy transfer, resonance shifts and lastly damping effects. These points directly effects the blisk structure and may cause many problems when the component is under operation as well. Therefore, it is extremely important to determine the natural frequencies of blisks and to understand how distortions affect these frequencies. In the first stage of the study, a comprehensive literature is conducted and the findings provided an important guidance in determining the direction of the thesis, is presented. Then, the methods and techniques of the software used for numerical analysis and finite element model stages, which form the basis of the analysis of the bladed disk, are explained in detail. After obtaining the theoretical information, a dynamic frequency analysis setup is carried out in a dynamic analysis software, which is often preferred for finite element simulation studies, under predetermined boundary conditions of the related part parallel to the rigid body geometry of the finned disk. The proposed model accounts for the variations in stiffness, damping, and mass properties along the blade and disc components. By capturing these detailed characteristics, the model provides more accurate results for the system's natural frequencies, mode shapes, and vibration behavior. Additionally, coupling stiffness between sectors of the blisk is a crucial aspect in ensuring the structural integrity and performance of blisks. The coupling stiffness refers to the interaction between the blade and the disc components within the blisk structure. It plays a significant role in determining the vibrational characteristics and overall stability of the system. By optimizing the coupling stiffness, it becomes possible to minimize the error between the comparison of analytical and finite element analysis outcome. This optimization process involves analyzing various factors such as material properties, geometrical configurations, and operational conditions. By leveraging advanced computational algorithms and optimization techniques, the study aims to identify the optimal values of coupling stiffness that would lead to improved blisk performance. Besides, hard-coating which is a special coating type for increasing mechanical properties of the applied component regarding thermal durability, resistance and corrosion, has been taking attentions of researchers and pracititoners in terms of natural frequency and damping characteristics of components. By taking into account the benefits of the hard coating, this study aims to reduce the irregular vibrations in mistuned blisks with application of hard coating and to offer an alternative solution to the analytical solution methods in the literature. It is also aimed to examine the natural frequency values of the system and to reduce the margin of error between analytical – finite element solutions with the new parametric system. In the following stages, in order to analyze and model the dynamic behavior of a coated bladed disc an aggregated parametric system is utilized. In the parametric system, first of all, the relevant model is established in the sectoral context, and then the systemwide model is examined with the lumped parameter model. Herein, a new solution method is developed where the degrees of freedom of the existing collective parametric system is increased. Afterwards, the results are compared with the finite element solution, and the optimization of the system which requires a more detailed analysis technique is discussed. The obtained data has shown that, the newly created lumped mass model and the results from the finite element model are quite compatible. The results of numerical and dynamic system analysis are shared in detail in a separate section. Additionally, to validate the accuracy and effectiveness of the proposed lumped parameter model, a comprehensive comparison is made with experimental data from literature and finite element simulations. In addition to mentioned points, the effective and reliable value of kc coupling stiffness, which already take into account in literature with only related to experimental data and hypothetically ontained values, is examined. Experimental approach has been implemented to the already prepared lumped mass parameter model. As a finalization of experimental approach, concluding figure has been shared with different scenarios compared to FEM and different kc values. In the last part of the study, a general evaluation is made and suggestions for future studies are presented. The theoretical equations and lumped mass model related calculations are performed through a software programme called MATLAB version 2014b. In addition, for the 3D illustrations and model generation Solidworks 2020 is used. Last but not least, the finite element methodology and application of the modal analysis of the proposed blisk model is conducted via ANSYS Mechanical Workbench 2022 software. The results are presented in graphs and tubular forms through out the thesis. As a result of the study, it aims to make a contribution to the analysis of irregular vibrations occurring in blisks and to the examination of system characteristics. Moreover, it underscores the potential to reduce margins of error between analytical and finite element analysis solutions by using an improved lumped based parametric system. By effectively addressing the inherent challenges associated with blisk structures, this research strives to elevate the overall efficiency and reliability of aircraft components.