A comparative stress analysis of airplane fuselage frame
Uçak gövde iskeletinin kıyaslamalı gerilme analizi
Yazar: ESRA DEVECİ
Danışman: PROF. DR. VELİ ÇELİK
Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Havayollarının emisyonlarını azaltması, hem dünya çapında yaklaşan hükümet
düzenlemeleri nedeniyle yakında yaygınlaşacak olan gelişmiş Çevresel, Sosyal ve
Yönetişim ölçütleri hem de artan kârlılık açısından hayati önem taşıyor. Azalan
emisyonlar, yakıt kullanımının azalmasıyla doğru orantılıdır ve dolayısıyla uçak
işletme marjlarını iyileştirmek için kullanışlıdır. Sonuç olarak, havacılık gibi önemli
çevresel etkiye sahip endüstrilerin güncel, rekabetçi ve yeni düzenlemelere uyumlu
kalabilmek için bu önlemleri yakında benimsemesi gerekmektedir. Bu amaca uygun
olarak, etkili bir strateji hava taşıtlarının kütlesinin azaltılması olabilir. Uçakta kütlenin
azaltılmasını sağlamak için daha iyi malzemelerin seçimi gibi alternatif yöntemlerle,
yapısal bütünlüğün korunması şartıyla bazı bağlantı elemanları çıkartılabilir. Uçak
tasarımında ağırlığın önemli bir kısmı tipik olarak gövdede, özellikle de kirişlerle
birbirine bağlanan uzunlamasına yerleştirilmiş iskelet yapısında yoğunlaşır. Bu
çalışma, yapısal bütünlüğü korurken mekanik analiz araçlarını kullanarak bu konuyu
ele almayı ve iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Bu kapsamda Al-7475, Al-7075 ve
Al-2024 gibi bazı havacılık malzemelerine bir dizi çekme testi uygulanmış ve bulgular
kaydedilmiştir. Çekme testlerinden edinilen sonuçlar, sonlu elemanlar metodu
yöntemiyle yapısal iyileştirmeler elde etmek amacıyla kullanılmıştır. Bu analizler,
Al-7475 için daha yüksek yapısal performans ortaya çıkarırken, güvenlik faktörünü
Al-2024'e kıyasla %30,13 artırarak 1,88'den 2,44'e çıkartmış ve ağırlığı yalnızca
%1,4 arttırmıştır. Ancak, doğrudan kütle azaltımı, dolayısıyla yakıt tüketimi azaltımı
açısından değerlendirildiğinde, en iyi seçeneğin Al-2024 olduğu tespit edilmiştir.
Airbus A320neo'da, normal koşullarda kullanılan baz malzeme olan Al-2524 ile
kıyaslandığında, güvenlik faktörünü havacılık standartlarında tutmayı sürdürüp %1,77
kütle azaltımının mümkün olduğu ve bu sırada çekme mukavemetinin de %1,81
artabileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
It is crucial for airlines to reduce emissions for both improved Environmental Social
Governance metrics, which will soon become prevalent due to impending
governmental regulations worldwide, and for enhanced profitability. Reduced
emissions are directly proportional to decreased fuel usage, thereby improving aircraft
operating margins. Consequently, industries with significant environmental impact,
like aviation, must soon adopt these measures to stay current, competitive, and
compliant with new regulations. One effective strategy is mass reduction. To achieve
weight reduction in aircraft, unnecessary fasteners can be removed, provided structural
integrity is maintained through alternative methods, such as superior material
selection. In aircraft design, a substantial portion of weight is typically concentrated in
the fuselage, particularly in longitudinally placed frames interconnected by stringers.
Intention of this study to address and improve upon this issue using mechanical
analysis tools while maintaining structural integrity. In this context, several aerospace
materials such as Al-7475, Al-7075, and Al-2024 underwent a series of tension tests,
and the findings are documented. Data obtained from tensile tests were utilized to
investigate structural enhancements through finite element analysis. These analyses
yielded higher structural performance for Al-7475, increasing the safety factor by
30.13%, from 1.88 to 2.44 compared to Al-2024 while increasing the weight only by
%1.4. But solely focusing on mass reduction, hence fuel consumption reduction, best
option becomes Al-2024. Compared with the originally used material on this aircraft,
namely Al-2524-T3, 1.77% mass reduction was achieved without compromising
(tensile) strength, rather increasing it by 1.81%