Bir uçak ön camına kuş çarpmasının düzgün parçacık hidrodinamiği (SPH) yöntemiyle sayısal incelenmesi
A numerical simulation of bird strike on aircraft windshield using smoothed particle hydrodynamics (SPH) method
Yazar: SERKAN BARIŞ TOKGÖZ
Danışman: PROF. DR. SAMİ KARADENİZ
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Uçaklara kuş çarpması olayının giderek artması, uçağın hayati bölgelerinin güvenliği ve yapısal bütünlüğü ile ilgili endişeleri artırmıştır. Bu tez düzgün parçacık hidrodinamiği (SPH) yöntemini kullanılarak uçak ön camlarında kuş çarpması nedeniyle oluşabilecek çatlakların ve hasarların incelenmesini amaçlamaktadır. 
Bu türden çalışmalarda ilk hedef kuş çarpması analizleri için bir simülasyon altyapısı geliştirmektir. Bu tez çalışmasında bu hedefe ulaşmak için LS-DYNA programı kullanılarak bir simülasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen simülasyon modelini doğrulamak amacıyla elde edilen sonuçlar literatürde var olan benzer analizler ve deneysel çalışmalarla karşılaştırılmıştır. 
Araştırma sırasında ön cam katmanı malzeme modeli olarak Johnson-Holmquist (JH2) malzeme modeli kullanılmış ve cama tek kuş çarpması olayının etkileri gözlemlenmiştir. Buna ek olarak cama birden fazla kuş çarpmasının etkilerini görmek amacıyla ön cama birden fazla kuş çarpması olayı da analiz edilmiştir.
Çalışmada PVB ara katmanı için seçilen iki malzeme modelinden biri olan Mooney-Rivlin modelinin yüksek hızda çarpma analizinde ara katman malzemesi olarak yetersizliğine kanaat getirilmiştir. Sonuç olarak çalışmada, çarpma analizlerinde daha doğru sonuç veren viskoelastik malzeme modeli kullanılmıştır.
Çalışma sırasında iki farklı model geliştirilerek elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. İlk modelde kare olarak modellenen ve Boeing 737 uçağının ön cam kalınlıklarına sahip bir cam modeline kuşun dik bir şekilde çarpması incelenmiştir. İkinci modelde ise Boeing 737 uçağındaki gibi x ve y eksenlerinde açılı olarak yerleştirilen cama kuş çarptırılmış ve sonuçlar incelenmiştir. İlk model üzerinde de iki farklı PVB malzeme modeli karşılaştırılmış ve yüksek hızlı çarpma analizlerine en uygun PVB ara katman malzeme modelini tespit etmek amaçlanmıştır. İkinci modelde önce tek kuş çarpması, ardından birden fazla kuşun çarpması olayı simüle edilmiştir.
Sayısal Anaiz sonuçları incelendiğinde PVB ara katman modeli olarak kullanılan viskoelastik malzeme modelinin yüksek hızlı çarpmalarda en doğru sonucu verdiği görülmüştür. Kare şeklindeki basitleştirilmiş cam modeline kuş çarpması ve gerçek cam modeline kuş çarpması karşılaştırıldığında, kuş çarpmalarında uçak camının açılı konumlandırılmasının ciddi oranda darbe şiddetini azalttığı anlaşılmıştır. Ayrıca açılı yerleştirilen cama kuş kinetik enerjisinin tam aktarılmadığı görülmüş ve kuşun cam yüzeyinden kayarak devam ettiği anlaşılmıştır. Uçak gerçek modelinde hasar oluşumu, uçağın yasal olarak alçak irtifalarda çıkmaması gereken hızlarda geçekleşmiştir ve alçak irtifalardaki yasal hız sınırında ön camda bir hasar oluşmadığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
The increasing frequency of bird strikes on airplanes has raised concerns about the safety and structural integrity of critical areas of the aircraft. This thesis aims to investigate cracks and damages that could occur due to bird strikes on aircraft windshields using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method.
In such studies, the primary objective is to develop a simulation framework for bird strike analyses. In this thesis, a simulation study was conducted using the LS-DYNA program to achieve this goal. The obtained results were compared with similar analyses in the literature and experimental studies to validate the developed simulation model.
During the research, the Johnson-Holmquist (JH2) material model was used for the glass layer, and the effects of a single bird strike on the windshield were observed. Additionally, to examine the effects of multiple bird strikes, scenarios involving multiple bird impacts on the windshield were also analyzed.
In the study, it was concluded that the Mooney-Rivlin material model, one of the chosen material models for the PVB interlayer, was inadequate for high-speed impact analysis. As a result, a viscoelastic material model that provides more accurate results in impact analyses was used.
Two different models were developed during the study, and the results obtained from these models were compared. The first model examined a bird striking a glass model with the thickness of a Boeing 737 aircraft's windshield, modeled as a square, in a perpendicular manner. In the second model, a bird strike was simulated on glass positioned at an angle along the x and y axes, similar to the Boeing 737 aircraft's configuration, and the results were analyzed. In the first model, two different PVB material models were compared to determine the most suitable PVB interlayer material model for high-speed impact analyses. In the second model, simulations were conducted for both a single bird strike and multiple bird strikes.
Upon examining the numerical analysis results, it was observed that the viscoelastic material model used for the PVB interlayer yielded the most accurate results in high-speed impacts. Comparing the bird strikes on the simplified square-shaped glass model and the realistic glass model positioned at an angle, it was evident that the angled positioning of the aircraft windshield significantly reduced the impact force during bird strikes. Additionally, it was observed that the kinetic energy of the bird was not fully transferred to the glass surface when the glass was positioned at an angle, causing the bird to slide off the surface. Damage occurred in the real aircraft model under conditions where the aircraft should not be flying at low altitudes and speeds, and no damage was observed on the front windshield at the legal speed limit for low altitudes