Tabakalı kompozit yapılarda kuş çarpmasının nümerik analizi
Numerical analysis of bird strike impact on composite sandwich structures
Yazar: EMRE GÜNGÖR
Danışman: DOÇ. DR. BEDRİ ONUR KÜÇÜKYILDIRIM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Hasar analizi = Damage analysis ; Kuş çarpması = Bird strike ; Sandviç yapı elemanları = Sandwich structure elements ; Sayısal analiz = Numerical analysis

Özet:
Çalışma kapsamında ticari uçak gövdelerinde kullanılan kompozit sandviç panel yapılarının kuş çarpmasına karşı dayanımı araştırılmıştır. Çarpışma modelleme tekniğini belirlemek amacıyla Lagrange, Euler, Arbitrary Lagrangian-Eularian (ALE), Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) ve Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) teknikleri incelenmiştir. Modelleme tekniğini seçebilmek amacıyla deforme olmayan kübik bir yapının kiriş üzerine çarpmasını esas alan fiziksel bir problem tanımlanmıştır. Fiziksel problemin analitik ve nümerik çözüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda Lagrange, ALE ve SPH yöntemleri kullanılarak elde edilen sonuçların analitik hesaplara göre hata oranı sırasıyla %3.74, %2.43 ve %2.73 olarak hesaplanmıştır. Sonraki aşamada yapılacak çalışmalarda kullanılacak teknik olarak SPH yöntemi tercih edilmiştir.
Kuş çarpmasına karşı dayanımını araştırmak ve iyileştirmek amacıyla iki farklı tasarım tipi (3C2H ve 4C3H) modellenmiş ve geleneksel sandviç kompozit panel yapısı (2C1H) modeli ile sonuçlar karşılaştırılmıştır. Her tasarımın kalınlığı 6,2 mm olarak belirlenmiştir ve her tasarım toplam sekiz elyaf katmanından oluşmaktadır.
2C1H, 3C2H ve 4C3H tasarımları kullanılarak deforme olabilir kompozit sandviç plaka yapıları modellenmiştir ve çekirdek malzemesi olarak alüminyum bal peteği yapısı kullanılmıştır. *MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE (MAT-54) malzeme kartı kullanılmıştır. Hasar sonuçları karşılaştırıldığında 4C3H modelinin 263.4 𝐽 ile en düşük enerjiyi sönümlerken, 2C1H modelinin 317.1 𝐽 yani %21.35 daha fazla, 3G2H modelinin ise 359.0 𝐽 yani %36 daha fazla enerji sönümlemiştir. Ancak çarpışma sonrası fırlatılan cismin son hızları karşılaştırıldığında 2C1H modelinde bu hızın 19.3 m/s iken 3G2H modelinde bu hızın 39.9 m/s yani yaklaşık iki kat fazla olduğu görülmüştür. Aramid esaslı bal peteği kullanarak modellenen plaka modeli için 2C1H tasarımı seçilmiştir. Aramid esaslı bal peteğini modellemek için *MAT_HONEYCOMB (MAT-26) malzeme kartı kullanılmıştır. Bu sandviç yapının 248 𝐽 enerji sönümlediği, bu değerin alüminyum çekirdekli sandviç yapıya kıyasla %21.5 daha az olduğu görülmüştür. Çarpışma sonrasında kuşun son hızı ise 34.9 m/s olarak kaydedilmiştir, diğer modele kıyasla %80 daha yüksek bir hızı temsil etmektedir.
Ticari uçaklarda kullanılan SATCOM radom kompozit sandviç yapısı modellenerek kuş çarpmasına karşı dayanımı araştırılmıştır. Aramid esaslı çekirdek malzemesi ile modellenmiş SATCOM radom yapısının kuş çarpması sonucunda 244 𝐽 enerji sönümlediği ve kuş modelinin son hızını ancak %35.5 mertebesinde azaltabildiği kaydedilmiştir. Radom modelinde kullanılan 2C1H tasarımının kuş çarpmasına karşı uçuşa elverişliliği sürdürebilecek nitelikte olduğu tespit edilmiştir. Farklı modelleme tekniklerinin yüksek hızlı çarpma benzetim çalışmalarındaki çözümleme kabiliyeti, sandviç kompozit yapıların darbe/çarpma altındaki davranışı ve hasar oluşumu hem plaka ölçeğindeki modellerde ve hem de makro ölçekteki ticari bir SATCOM anten radom yapısında araştırılmıştır. Böylece kuş çarpmasına karşı dayanımı geliştirilecek kompozit sandviç yapılar için önemli olan parametreler ortaya konmuştur.

Abstract:
In this thesis, the resistance of composite sandwich panel structures used in commercial fuselage against bird strike was investigated. In order to determine the impact modeling methodology, Lagrangian, Eulerian, Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE), Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) and Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) techniques were investigated. In order to choose the modeling technique, a physical problem based on the impact of a rigid cubic structure on the beam was defined. Analytical and numerical solution results of the physical problem are compared. As a result of this comparison, the error rate of the results obtained using Lagrange, ALE and SPH methods compared to the analytical calculation was calculated as 3.74%, 2.43%, and 2.73%, respectively. The SPH method was preferred as the technique to be used in the studies to be carried out in the next stage.
In order to investigate and improve the resistance of sandwich composite structures, two different design types (3C2H and 4C3H) were modeled and the results were compared with the traditional sandwich composite panel structure (2C1H). The thickness of each design is set at 6.2 mm, and each design consists of a total of eight fiber layers. Deformable composite sandwich plate structures were modeled using 2C1H, 3C2H, and 4C3H designs, and an aluminum honeycomb structure was used as the core material. The material card *MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE (MAT-54) was used to define the mechanical material constants of the fiber layer. It is observed that the 4C3H model has absorbed the lowest energy with 263.4 J, 2C1H model has absorbed 317.1 J which is 21.35% more than the 4C3H, and the 3G2H model has absorbed 359.0 J energy which is 36% more than 4C3H. However, when the final speeds of the virtual bird model after the impact are compared, it was observed that this speed is 19.3 m/s in the 2C1H model, while this speed is 39.9 m/s in the 3G2H model, which is about twice. Based on these results, the 2C1H design was chosen for the deformable flat plate model modeled using an aramid-based honeycomb. *MAT_HONEYCOMB (MAT-26) material card was used to simulate the mechanical properties of aramid-based honeycomb in different axes. It was observed that the composite sandwich structure modeled with aramid-based honeycomb absorbs 248 J energy, and this value is 21.5% less than the aluminum core sandwich structure. The final velocity of the bird model after the impact was recorded as 34.9 m/s, this value representing an 80% higher speed compared to the other model.
The resistance to bird strike was investigated by modeling the SATCOM radome composite sandwich structure with aramid-based core material used in commercial aircraft. It has been noted that the SATCOM radome structure absorbs 244 J of energy, and it can only reduce the final velocity of the bird model by 35.5%. It has been determined that the 2C1H design used in the radome model is capable of maintaining airworthiness against bird strikes. As a result of the numerical studies carried out, the parameters that are significant for composite sandwich structures that need to be resistant to bird strikes have been revealed.