Kompozit kanat yapıları üzerinde tamir modellemesi ve sonlu elemanlar analizi
Repair modeling and finite element analysis on composite wing structures
Yazar: ALİHAN CAMBAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ENES SALMAN
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Bakım onarım = Maintenance repairing ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Karbon lifler = Carbon fibers ; Sabit kanatlı hava araçları = Fixed-wing aircraft

Özet:
Karbon fiber takviyeli polimerler (CFRP), havacılık endüstrisinde yaygın olarak 
kullanılmaktadır. Bu malzemeler yüksek mukavemet/ağırlık oranı, yorulma direnci, 
hafiflik ve korozyon direnci gibi özelliklere sahiptirler. Ancak, bu kompozit yapıların 
önemli bir dezavantajı, düşük darbe tokluğundan kaynaklanan hasara duyarlı 
olmalarıdır. Bu tür bir hasar meydana geldiğinde, yapının tamir veya değiştirme 
gerektirebileceği bilinmektedir. Kompozit yapıların tamir tasarımları, mukavemet 
onarımını sağlayabilir ve aerodinamik açıdan düzgün yüzeyler oluşturarak hasarlı 
parçanın nispeten daha maliyet etkin bir şekilde onarılmasına olanak tanır. Bu nedenle, 
tabakaların oryantasyonu, kalınlığı, şekli, ekstra tabaka sayısı, tamir bölgesinin 
büyüklüğü gibi parametreler gereksinimlere uygun olarak seçilmelidir. Bu tez 
çalışması kapsamında, tam ölçekli bir kabuk yapısındaki kompozit kanat üzerinde 
tamir tasarımları modellenmiş ve gerçekçi yüklenme koşulları altında  yapının yapısal 
bütünlüğü değerlendirilmiştir. Tamir modellemesi ve analizleri kompozit yapı 
üzerinde kabuk metodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kabuk metodunun 
doğrulanması amacıyla numune seviyesinde ASTM-3039D standartlarına uygun 
çekme testleri gerçekleştirilmiştir. Numune seviyesinde gerçekleştirilen testlerden 
elde edilen sonuçlar ve yapısal analiz sonuçlarını doğrulamıştır. Yapısal analizler, 
ABAQUS yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasının devamında, NACA kanat profillerine dayalı olarak geliştirilen ve belirlenen gereksinimlere uygun 
olarak tasarlanmış yeni bir kanat modelinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) 
analizleri ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan kanat 
profili üzerinde 0°-5°-10°-15°-20°-25°-30° değerlerindeki hücum açıları düşünülerek 
HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. HAD analizlerinden en kritik hücum açısında elde 
edilen basınç değerleri, yapısal analizlerde kullanılmak üzere yük dağılımı fonksiyonu 
kullanılarak belirlenmiştir. Aerodinamik kuvvetlere ek olarak yer çekimi, mühimmat 
ağırlığı ve yakıt ağırlığı gibi kuvvetler, tam ölçekli kanat modeline sınır şartı olarak 
uygulanmıştır. Çeşitli tamir senaryoları belirlenmiş ve tam ölçekli kanat kabuk 
yapısındaki en kritik bölgede tamirlerin yapısal analizleri gerçekleştirilmiştir. 
Belirlenen bölgede uygulanan tamir senaryoları Hashin metodunu kullanılarak 
gerinim değerleri ile kıyaslanmış ve tamir çalışmaları doğrulanmıştır. Elde edilen 
sonuçlar, yapıdaki hasarlı bölge sayısı, hasarlı tabaka sayısı, tamir bölgesine serimi 
uygulanan ekstra tabaka sayısı ve oryantasyonu, tamir tasarımının şekli  gibi 
faktörlerin yapının yük taşıma kapasitesini ve yük yolunu etkilediğini göstermiştir. 
Gerçekleştirilen sayısal analiz çalışmaları, kabuk yöntemi ile tamir modellemesinin 
isabetli sonuçlar sağladığını göstermiştir ve olası hasar durumlarında izlenilmesi 
gereken yöntem hakkında önemli bilgiler sunmuştur.

Abstract:
Carbon fiber reinforced polymers (CFRP) are widely used in the aviation industry. 
These materials have properties such as high strength-to-weight ratio, fatigue 
resistance, lightweight, and corrosion resistance. However, a significant disadvantage 
of these composite structures is their susceptibility to damage due to low impact 
toughness. It is known that when such damage occurs, it may necessitate the repair or 
replacement of the structure. Repair designs of composite structures can provide 
strength repair and enable relatively cost-effective repair of damaged parts by creating 
aerodynamically smooth surfaces. Therefore, parameters such as layer orientation, 
thickness, shape, extra layer count, and repair area size should be selected according 
to requirements. In this thesis, repair designs on a full-scale composite wing structure 
were modeled and the structural integrity of the structure was evaluated under realistic 
loading conditions. Repair modeling and analyses were performed using the shell 
method on the composite structure. To validate the shell method, tensile tests were 
conducted at the specimen level according to ASTM-3039D standards. The results 
obtained from the tests conducted at the specimen level corroborated the structural 
analysis results. Structural analyses were performed using ABAQUS software. In the 
continuation of the thesis study, computational fluid dynamics (CFD) analyses of a new wing model developed based on the NACA wing profiles and designed according 
to determined requirements were performed using ANSYS Fluent software. CFD 
analyses were conducted considering angles of attack of 0°-5°-10°-15°-20°-25°-30° 
on the designed wing profile. The pressure values obtained at the most critical angle 
of attack from the CFD analyses were determined using the load distribution function 
for use in structural analyses. In addition to aerodynamic forces, forces such as gravity, 
ammunition weight, and fuel weight were applied as boundary conditions to the full
scale wing model. Various repair scenarios were identified, and structural analyses of 
repairs were performed on the most critical region of the full-scale wing shell structure. 
The repair scenarios applied in the determined region were compared with strain 
values using the Hashin method, and the repair works were validated. The results 
obtained showed that factors such as the number of damaged areas in the structure, the 
number of damaged layers, the number and orientation of extra layers applied to the 
repair area, and the shape of the repair design affect the load-carrying capacity and 
load path of the structure. The conducted numerical analysis studies showed that repair 
modeling using the shell method provided accurate results and provided important 
information about the method to be followed in case of possible damage.