Jet uçağı ile taşınan bir faydalı yükün yapısal cevap kestirimi
Structural response predicton of a payload carried by a jet fighter
Yazar: ENGİN METİN KAPLAN
Danışman: PROF. DR. ERDEM ACAR ; DOÇ. DR. MEHMET BÜLENT ÖZER
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan titreşimler = Nonlinear vibrations ; Güdümlü füzeler = Guided missiles ; Mekanik titreşim = Mechanical vibration

Özet:
Jet uçağı ile taşınan bir faydalı yükün cevap kestirimi için geleneksel olarak askeri şartnameler kullanılmakta, frekans ve genlikler hesaplanmaktadır. Bu tez çalışmasında jet uçağı ile taşınan bir faydalı yükün içerisinde bulunan ekipmanların yapısal cevabının yapay sinir ağları (YSA) kullanılarak incelenmesi ve tahmin edilmesi amaçlanmıştır. YSA modellerinin oluşturulması için, üzerinde güdüm kiti bulunan, kütlesel ve geometrik özellikleri Mark-83 harp başlığı ile aynı olan temsili bir yapıdan gerçek uçuş koşullarında veri toplanmıştır. Uçak hızı ve uçuş irtifası değiştirilmesi ile elde edilen yetmiş beş farklı uçuş koşulunda toplanan veriler ile YSA eğitilmiş, bunlardan bağımsız olarak seçilen sekiz uçuş durumunda ise performansı test edilmiştir. Yapısal cevaplar faydalı yük içerisine yerleştirilen ivmeölçerden veri toplama sistemi aracılığı toplanmış, ivme güç spektrumu yoğunlukları (İGSY) olarak frekans tabanına dönüştürülmüştür. Ölçümlerden maksimum yapısal cevap tahmini elde etmek için tolerans limitleri kullanılmıştır. Maksimum cevap elde etmek için tanınmış tolerans limitlerinden ayrı olarak, üçüncü derece normal ve logaritmik polinom dönüşümü de literatürde ilk kez bu çalışmada yapısal cevap kestirimi için kullanılmış ve bunların performansı diğer tolerans limitleri ile karşılaştırılmıştır. Tolerans limitleri kullanılarak elde edilmiş yapısal cevap tahminleri frekans alanında askeri şartname ve deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bu yüklerin  yapısal parça tasarımı üzerindeki etkisini göstermek için bir vaka örneği çalışması yapılmıştır. Yapısal tasarımda kullanılacak yükler üç-sigma kuralı ile 20-300 Hz frekans bandı aralığında hesaplanmıştır. Bir destek parçası üç farklı yük durumu için VRAND GENESIS yapısal eniyileme paket programı kullanılarak tasarlanmıştır. YSA tahmini ve test sonucu yapısal cevap verilerinden türetilmiş yükler kullanılarak yapılan eniyileme sonucu elde edilen destek parçası tasarımının, askeri şartname kullanılarak elde edilen tasarıma göre daha hafif olduğu ve aynı zamanda istenilen emniyet faktörü isterini de sağladığı tespit edilmiştir.
Sonuç olarak, faydalı yük içerisinde bulunan ekipmanların yapısal cevaplarının tez kapsamında geliştirilen yaklaşım ile yüksek doğruluk seviyesinde tahmin edildiği görülmüştür. Askeri şartnamenin önerdiği cevap spektrumunun korunumlu olduğu ortaya çıkmıştır. Tolerans limiti tahminlerinin, askeri şartnameye göre daha doğru olduğu gözlenmiştir. Normal ve dağılımdan bağımsız tolerans limiti kullanılarak yapılan tahminlerin özellikle düşük frekans performansının diğer tolerans limitlerine göre daha iyi olduğu anlaşılmıştır. Üçüncü derece normal ve logaritmik polinom dönüşümü kullanılarak yapılan tahminler normal kestirim limiti ve zarf limitine göre daha iyi sonuç vermiştir. Bu tez ile önerilen yaklaşımın jet uçağı dış istasyonu ile taşınan faydalı yük içerisindeki ekipmanın yapısal cevap tahmininde iyi çalıştığı görülmüştür.

Abstract:
Military specifications are traditionally used to calculate the structural response of a payload carried externally by jet type aircraft both frequency and amplitude. The purpose of this thesis is investigation and prediction of structural response of equipment mounted in payload by using artificial neural networks (ANN). A representative payload which is similar to the Mark-83 warhead with guidance units in terms of mass and geometry is used to construct ANN models in real flight conditions. Seventy-five different flight conditions in terms of Mach number and flight altitude are used to train the ANN for low and high frequency components as military specification proposal. Also, 8 flight conditions apart from the training set of flight conditions are used to test the approach. Structural responses are collected with accelerometers mounted in payload by the data storage system. In signal processing, structural response is expressed as acceleration power spectral density (PSD) functions in the frequency domain. Procedures to predict the maximum response from measurements are determined with statistical limits in the literature. Besides the well known limits in the literature, third order polynomial normal and logarithmic transform are used to predict the structural response first time in this study and the performance of the different limits are compared. Structural response predictions with tolerance limit in frequency domain are compared with military specification and experimental results. A structural design case study is performed using ANN prediction, military specification and experimental data to demonstrate the loads magnitude difference. Loads for structural design are calculated with random loads using PSD data. Three sigma rule is considered between 20-300 Hz frequency bands. A support structure is optimized for three different loads by VRAND GENESIS tool. Supports designed based on experimental and predicted loads are observed to be lighter than the support designed according to the specification.
As a result, it has been found that the developed approach in this thesis can be used in response prediction of a payload. The military specification response spectrum is conservative. Tolerance limit prediction performance is better than military specification. Distribution free and normal tolerance limits predicted low frequency acceleration spectral density magnitudes more accurately. Their prediction performances were better than those of the other tolerance limits and that of the military specification. Third order polynomial transform predictions are found to be reasonable with respect to normal prediction limit and envelope approach. The response prediction approach proposed in this thesis works well for payload carried externally by jet fighter.