Uçaklarda bulunan kabin içi mutfak ekipmanlarının sonlu elemanlar ve test yöntemi ile sertifikasyonu
Certification of aircraft galleys by finite element method and static test
Yazar: ABDULLAH ERDİ ÖNÜT
Danışman: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Kompozit yapılar = Composite structures ; Sertifikalandırma = Certification ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Yapısal analiz = Structural analysis

Özet:
Havacılık tarihi, 1903 yılında Wright kardeşlerin ilk motorlu uçuşu ile başlamakta ve 20 yüzyıla kadar motorlu uçaklar üzerindeki çalışmalar havacılık tarihinde önemli bir rol almaktadır. Yolcu uçaklarının zamanla havacılık sektöründe önemli bir sektör haline gelmesi ile birlikte bu uçaklar üzerine yapılan çalışmalar artmakta ve yüksek kapasiteli, performanslı yolcu uçakları hava yolları şirketlerinin envanterlerine girmektedir.
17 Eylül 1908 yılında ilk motorlu uçak kazasının meydana gelmesi ve zaman içerisinde artan motorlu uçuşlar ile birlikte kaza oranlarında da artışların gözlemlenmesi hem büyük maddi kayıplara hem de can kayıplarına yol açması uçuş emniyeti kavramını ortaya çıkarmıştır.
Uçuş emniyeti kavramının ortaya çıkması ile birlikte uluslararası düzeydeki havacılık otoriteleri olan ICAO, JAA, EASA ve Eurocontrol tarafından uçuş emniyeti kuralları denetim altına alınmaya başlanmıştır. Türkiye' de havacılık otoritesi olarak EASA, FAA ve SHGM ile çalışılmaktadır. Hava araçları ve ekipmanlarının üretimlerinin yapılabilmesi için bu otoriteler tarafından uçuşa elverişlilik gerekliliklerinin tamamlanması gerekmektedir.
1930 yılından sonra uçaklarda kabin içi mutfak ekipmanları kullanılmaya başlanmıştır. Dünya' da kabin içi mutfak ekipmanlarının üretimini yapan bir çok firma bulunmakla birlikte ülkemizde 2010 yılında kurulmuş olan TCI Kabin İçi Sistemleri A.Ş şimdiye kadar bir çok kabin içi mutfak ekipmalarının tasarım, üretim ve sertifikasyon aşamalarını başarıyla gerçekleştirmiştir.
Bu tez çalışmasında TCI Kabin İçi Sistemleri A.Ş tarafından Airbus A330-300 uçağına ait G1A kabin içi mutfak ekipmanının tasarım, üretim çalışmaları anlatılmış, yapısal sertifikasyon aşamaları hakkında detaylı bilgi verilmiştir.
Uçaklarda kullanılan malzemelerin düşük ağırlığa ve yüksek dayanıma sahip olması gerektiğinden dolayı en yaygın olarak kullanılan malzemeler arasında kompozit malzemeler bulunmaktadır.
Kompozit malzemeler içerisinden bal peteği sandviç malzemeleri kabin içi mutfak ekipmanlarında kullanılan en yaygın malzemelerdir. Bal peteği sandviç kompozit yapıları bir çok malzeme konfigürasyonuna sahiptir. Bal peteği sandviç kompozit yapı malzemelerinin hücre yapısı, yüzey ve yapıştırıcı seçimlerini etkileyen dayanç, özgül dayanç, yapıştırıcı performası gibi yapısal etkiler bulunmakla birlikte yangına karşı hassasiyet, ısı iletimi, akustik ve nem gibi çevresel etkiler de bulunmaktadır.
Bal peteği sandviç kompozit yapılar ile yapılan tasarımlarda yüklerin uygulanması sonucu meydana gelen gerilmelere, deformasyonlara ve kesme oranlarına dikkat edilmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında aynı zamanda bal peteği kompozit malzemelerinin dayanım, rijitlik, panel burkulması, kesme kıvrımı, yüzey ezilmesi, hücreler arası kıvrılma, bölgesel basınç sonucu oluşan hasar oluşum türleri hakkında detaylı bilgiye de yer verilmiştir.
Bölüm 3' de bal peteği sandviç kompozit yapılarının üretim yöntemlerine ve mekaniksel özelliklerine yer verilmiştir. Bu mekaniksel özellikler sertifikasyon çalışmalarındaki yapısal analiz çalışmalarında yardımcı olmuştur.
Kabin içi mutfak ekipmanlarının yapısal analiz sertifikasyon çalışmaları tasarım süreci ile başlamaktadır. Tasarım süreci, sırası ile master (ana) geometrinin oluşturulması, panel tasarımları, uçak bağlantı noktalarının tasarlanması, ekipmanların yerleştirilmesi ve yapısal iyileştirmelerin yapılması şeklinde gerçekleşmiştir.
CATIA V5 ile yapılan tasarım çalışmalarından sonra MSC firmasına ait APEX programı ile sonlu elemanlar modeli hazırlanmış ve meshleme işlemi gerçekleştirilmiştir. PATRAN programına alınan sonlu elemanlar modelinin bağlantı parçalarının modellenmesi sonrasında malzeme tanımlamaları yapılmıştır. Gerekli yüklerin hesaplanması ile birlikte bu yükler PATRAN programındaki noktasal kuvvet ve noktasal ağırlıklardan yararlanılarak tanımlanmıştır. Sınır koşullarının da tanımlanması ile birlikte sonlu elemanlar modelinin NASTRAN programında yapılacak olan çözümü için hazır hale gelinir.
Analizin koşturulmasından önce, analiz sonuçlarını olumsuz etkilememesi amacı ile sonlu elemanlar model kalitesinin kontrolü yapılmıştır. Bu kontroller arasında eleman kalitesinin kontrolü, malzeme oryantasyonunun kontrolü ve uygulanan yük ile bağlantı bölgelerinden elde edilen yüklerin karşılaştırılarak kontrol edilmesi bulunmaktadır. Bu kontroller sonucunda modellerde herhangi bir olumsuz durum olmadığı belirlenmiş ve model NASTRAN programında çözdürülmüştür.
NASTRAN programında çözümün yapılması sonucunda, üst ve alt bağlantı bölgelerinde oluşan yüklerin ve ekipman üzerindeki belirlenen kritik noktaların deformasyon okumaları yapılmıştır. Okunan yükler ve Bölüm 4' te detaylı olarak verilen denklemler yardımı ile uçak bağlantılarında bulunan profillerin güvenlik faktörleri hesaplanmıştır. Üst bağlantılarda oluşan kuvvetlerin ve kritik noktalardan okunan deformasyon değerlerinin daha sonra yapılacak olan yapısal testler ile karşılaştırılmaları yapılacaktır.
Sonlu elemanlar analizinin tamamlanması ve havacılık otoritesi EASA tarafından onaylanması ile birlikte üretimi de tamamlanmış olan kabin içi mutfak ekipmanı, 9.0G ileri yönündeki yapısal testinin yapılması amacı ile test alanına alınmıştır.
Yapısal testlerin gerçekleştirilmesi için test fikstür, spring plate, dummy parçaları, yük ağaç yapısı ve data kayıt sistemi gibi test ekipmanları kullanılmaktadır. G1A kabin içi mutfak ekipmanının test sırasında konumlandırılması amacı ile test fikstürleri kullanılır. Test fikstür ile kabin içi mutfak ekipmanlarının bağlantıları arasında uçak profillerinin katılık derecelerini simule eden spring plate test ekipmanı kullanılır. Test sırasında kabin içi mutfak ekipmanlarındaki konfigürasyonların test sırasındaki davranışlarını simule etmek ve orijinal parçalarının zarar görmesini engellemek amacı için ise benzer boyut ve bağlantılara sahip olan dummy parçalar kullanılır. Bu konfigürasyonlara yüklerin düzgün dağıtılması amacı ile yük ağaç yapısı kullanılır. Testin gerçekleştirilmesi sırasında data kayıt sistemi ve yazılımı olan optest ile test uygulanışı kontrol edilmiştir.
Ekipman üzerindeki konfigürasyonlara uygulanacak olan yüklerin lokasyonları belirlenir ve bu lokasyonlara piston yardımı ile 9.0G ileri yönünde yük uygulanır. Uygulanan bu yük, konfigürasyonlara yük ağacı yöntemi ile dağıtılmaktadır.
Yapısal testlerin gerçekleştirilmesi sırasında uygulanacak olan yüklerin belirlenmesi, deformasyon ölçümleri ve üst bağlantılardan yük hücreleri yardımı ile yapılacak yük ölçümlerinin yapılması test aşamaları olarak belirlenmiştir. Bu ölçümler daha sonra sonlu elamanlar analizinin sonuçları ile karşılaştırılacaktır.
Yapısal test sonucunda otorite EASA gözlemcileri tarafından incelenen kabin içi mutfak ekipmanı ve test grafiklerinde, herhangi bir olumsuzluk olmaması nedeni ile yapısal test sertifikasyonu aşamasının başarılı olduğu onaylanmıştır.
Yapısal testlerin ve yapısal analiz çalışmalarının başarı ile gerçekleştirilmesi sonucunda, sonlu elemanlar modelinin validasyonunun yapılması gerekmektedir. Bu nedenle sonlu elemanlar analizi sonucunda üst bağlantılardan okunan yükler ile yapısal test sırasında uygulanan tam yük' te, üst bağlantılarda oluşan yükler karşılaştırılmış ve kabul edilebilir benzerlikte olduğu EASA gözlemcileri tarafından onaylanmıştır.
Yapısal testler ile sonlu elemanlar modelinin karşılaştırıldığı diğer bir durum ise deformasyon sonuçlarıdır. Bu sonuçlar arasındaki farklılıkların test sırasında dummy yapılarının kullanılmasına, G1A kabin içi mutfak ekipmanının yapısal ağırlığının sonlu elemanlar modelinde yapısal testlere göre farklı tanımlanmasına bağlı olduğu düşünülmektedir.
Bu tez çalışmasındaki sonuçlara göre Airbus A330-300 uçağına ait G1A kabin içi mutfak ekipmanının yapısal sertifikasyonu başarı ile gerçekleştirilmiş ve uçuşa elverişlilik kurallarına göre kullanılmasında herhangi bir olumsuz durum olmadığı kanıtlanmıştır.

Abstract:
The history of aviation starts with the Wright Brothers' first powered flight in 1903. Until 20.th century, the studies on powered aircrafts took a crucial part in history of aviation. With airline companies becoming an important sector in aviation industry the works on those aircrafts are increasing and high-capacity, high-performance aircrafts entering to the inventories of the airline companies.
After the first powered aircraft accident in 17 September 1908 and remain of this kind of accidents through increasing flight numbers, conciderable financial losses and many loss of lives have experienced, therefore the term of flight safety has came up.
With the emergence of this term, flight safety rules were started to be controlled by ICAO, JAA, EASA and Eurocontrol which are the international aviation authorities. In Turkey EASA, FAA and SHGM are the partners as aviation authorities. To produce aircrafts and equipments, airworthiness requirements have to be completed by those authorities.
After 1930, galley equipments have started to be used in aircrafts. While there are many companies that manufacture galley equipments in the world, TCI has succesfully carried out producing, designing and certification stages of galley equipments in Turkey.
In this thesis, design and production works of TCI on the plane Airbus A330-300's G1A galley equipment have been explained and detailed information about the structural certification stages have been given.
One of the most common materials that are used in aircraft manufacturing is composite materials due to necessity of low weight and high strength materials.
Honeycomb sandwich panels are the most common ones of composite materials that are used in galley equipment. This kind of composite structures have several material configurations. While there are structural factors such as strength, specific strength and adhesive performance that affect cell structure, surface and glue choice of honeycomb sandwich composite materials; there are also some environmental effects as fire proof, heat conduction, acoustic and humidity.
In designs which are made with honeycomb sandwich composite panels it is necessary to be careful about the stresses that caused by implementation of loads and shear stress rates. This thesis also gives detailed information in the matter of honeycomb sandwich composite materials' strength, stiffness, panel buckling, cutting fold, crushing surface, intercellular curl, types of deformation caused by local pressure. The production methods and mechanical properties of honeycomb sandwich composite panels are included in section 3. These mechanical properties have assisted structural analysis studies in certification. Structural analysis certification of galley equipment starts with design process. Design process is carried out by building the master geometry, panel designs, aircraft attachment designs, placing the equipment and structural improvements. After finishing the design with CATIA V5, Finite element model is prepared and mesh is done by using MSC Apex software. After the modeling attachment parts of the galley in Patran, materials are defined. Necessary loads are calculated according to insert configuration, these loads are identified by using nodal force and point weight in Patran software. After applying the boundary conditions in FEM, Model is ready to be run the model on Nastran. Before running finite element model, model quality is checked. Element quality check, material orientation check and checking the loads that is compared applied loads with calculated loads in FEM attachments are included in those model quality checks. As a result of these examinations, it is determined that there is no unfavorable situation about the FEM model and it run on NASTRAN software. After NASTRAN analysis results, Loads in upper and lower attachments have been calculated. Also deformations which critical points in the galley are calculated with NASTRAN software. According to calculated loads and detailed equations which are given in the section 4, reserve factors of attachments have been calculated. The amount of deformations that are calculated from critical points and the forces on upper attachments will be compared through the structural tests which will be run in later sections. By completing the finite elements model and static test plan and getting approval to perform static structural tests from EASA, galley is taken to the structural test area for the purpose of making the 9.0G forward structural test. Test fixture, spring plate, dummy parts, whiffle tree structure and data acquisition system have been using for carrying out the structural tests. Text fixtures are used to position G1A galley during the test. Spring plates are used between test fixture and galley for simulating stiffness of aircraft beams. Also, dummy parts are used for simulating the properties of galley equipment's configurations during the test and preventing the original parts from damage. Whiffle tree structures are used for distribution of loads to those configurations. The test has been controlled by Optest software which is controlling and data acquisition software. The locations of load application holes that will be applied on the configurations are defined and 9.0G Forward case load will be applied on those locations with hydraulic actuator. This load have been applying to the configurations by the whiffle tree method.
It is determined as test stages that defining the applying loads during the structural tests, deformations and load measurements which will be measured with load cells. After that, these measurements will be compared with the finite elements method analysis results. At the end of the structural test results, it is approved that structural test certification process is successful in terms of there is not any unfavorable situation about galley structure and test graphics by EASA witness. After the structural tests and analysis studies successfully, the model of finite element must be validated. That is why, the loads that are measured from upper attachments and forces that calculated in upper attachments with Nastran are compared and the acceptable similarity between them is approved by EASA witness. Another comparison situation between structural test and finite elements model is deformation results. Differences between FEM and test occurred due to dummy structures and distribution of structure weight.
According to the results of this theses study, the structural certification of G1A galley equipment for Airbus A330-300 has been validated.