Kanister saclarında, köşebentlerinde ve raylarında hafifletmeye yönelik şekil ve boyut eniyilemesi
Shape and size optimization for weight reduction on sheet metal, corner, and rail of the canister
Yazar: MEHMET YURDDAŞ
Danışman: PROF. DR. ERDEM ACAR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Global optimizasyon yöntemi = Global optimization method ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization ; Çok kriterli optimizasyon = Multi criteria optimization ; Şekil optimizasyonu = Shape optimization

Özet:
Kanister; roket veya füzenin ateşlendiği, Tam Atım Füze (TAF) sisteminin füze haricindeki ana alt sisteminden birisidir. Füzeyi; depolanma, taşınma ve atış anlarında oluşan çevresel etkilere ve yüklere karşı koruyan silindirik veya prizmatik yapısal bütündür. TAF'ın yüklendiği üst sistemin ağırlık taşıma kısıtı olmasından dolayı, kanister yapısal bütününün hem belirtilen yüklere karşı dayanıklı olması hem de hafif olması gerekmektedir. Kanister yapısal bütünü; gereksinimlere, analitik yaklaşımlara,  tasarımcının deneyimine ve sezgilerine bağlı olarak, sac metal, dikme, ray, köşebent, yardımcı dikmeler gibi profiller, birçok alt parça ve bağlayıcı elemanlar kullanılarak tasarlanmaktadır. Bu tez kapsamında; kanister içerisindeki ağırlıkça oranları yüksek olan sac metal, köşebent ve ray parçaları için hafifletme maksadıyla şekil ve boyut eniyileme çalışmaları yürütülmüştür.
Kanister üzerinde; düz sac metal yerine badem formu eklenmiş daha ince sac metal kullanılarak, füzenin ateşlenmesi anında oluşan basınç yüküne karşı dayanım ve benzer yerdeğiştirme sağlanabilmektedir. Optimum badem formu belirlenmiş ve eklenmiş sac plakaların, düz sac plakanınkiyle benzer yer değiştirmeye sahip ve dayanıklı (malzemenin akma dayanımının altında) fakat daha hafif olması amaçlanmıştır. Bu kapsamda, basınç yükü altında, düz sac ve badem eklenmiş sac plakaların ANSYS sonlu elemanlar yazılımıyla analizleri yapılmış, gerilme ve yer değiştirmeleri hesaplanmıştır. Tasarımsal kısıtlar ve sınır koşulları dikkate alınarak saclardaki badem yarıçapı, yuvarlatması ve yüksekliği için eniyi değerler, deney tasarımı ve yanıt yüzey yöntemleri (vekil model) kullanılarak elde edilmiştir. Eniyileme çalışmasının sac özelindeki bulgularına göre; 3 mm bademli sac metalin, 4 mm düz sac metal plakaya göre benzer yerdeğiştirme seviyesinde %19,9 hafifletme sağladığı gözlenmiştir.
Köşebent ve rayların; kanister ağırlığı ve füzenin ağırlığı altında yer değişiminin az olması ve yapıya dayanım kazandırılması maksadıyla kalınlaştırılmıştır. Bu yüzden kanister ağırlıkları istenen ölçütlerin dışına çıkmış ve bu durum eniyileme çalışmasının yapılmasını gerektirmiştir. Kanister yapısal bütününün ana dayanım unsurunu oluşturan köşebent ve ray parçaları kanister yapısal bütünü seviyesinde ele alınarak ANSYS sonlu elemanlar yazılımıyla analizleri yapılmış, gerilme ve yer değiştirmeleri hesaplanmıştır. Kanisterin bekleme durumlarında izin verilen yerdeğiştirme miktarlarının altında kalmasının yanında, yapının köşebent ve ray parçaları özelinde ağırlıklarının eniyilenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla köşebent ve ray özelinde tasarımsal kısıtlar ve sınır koşulları dikkate alınarak; deney tasarımı ve yanıt yüzey yöntemleri kullanılarak eniyileme çalışmaları tamamlanmıştır. Eniyileme çalışmasının köşebent ve ray özelindeki bulgularına göre; ilk tasarımın köşebentinden %51,1, ilk tasarımın rayından %10,3 mertebesinde daha hafif tasarımlar elde edildiği gözlenmiştir.
Kanisterin sac, köşebent ve ray parçaları özelinde yürütülen tüm bu eniyileme çalışmalarının sonucunda; statik koşullar altında ilk tasarıma göre kısıt fonksiyonlarına bağlı kalınarak kanister seviyesinde %12,0 hafifletme sağlanmıştır.

Abstract:
Canister is one of the main subsystems of the missile system (excluding the missile), in which missile is fired. It is a cylindrical or prismatic structure that protects the missile against environmental conditions and loads that occur during storage, transportation, and firing. Due to weight constraints of the upper system (firing units), the canister structure is expected to withstand loads, and to be light in weight. Depending on the requirements, analytical approaches, experience and intuition of the designer, the canister structure is designed by using profiles such as sheet metal, pillars, rails, corners, auxiliary pillars, many sub-parts and fasteners. In this thesis, shape and size optimization studies are carried out to reduce the weight of sheet metal, corner and rail parts in the canister.
On the canister, by using a thinner sheet with bead form instead of plain sheet metal, strength and similar displacement can be achieved under the pressure of the missile firing. The optimum bead form is determined and the added to sheet plate is intended to have a similar displacement to that of a flat sheet plate and to be durable (below the yield strength of the material) but lighter. In this context, under the pressure load, flat sheet and beaded sheet plates are analysed with ANSYS finite element software and von Mises stresses and displacements are calculated.
Considering the design constraints and boundary conditions, the best values for the bead radius, rounding and height in the sheet are obtained by using  design of experiments and response surface methods (or surrogate models). According to the optimization study of the sheet metal, it is observed that 3 mm beaded sheet metal provided 19.9% weight reduction at a similar displacement compared to 4 mm flat sheet metal plate.
The corners and rails are thickened in order to give strength to the structure and to have less displacement under the weight of the canister and the weight of the missile. Therefore, the canister weight does not satisfy the desired criteria and this situation requires an optimization study. Corner and rail parts, which constitute the main strength element of the canister structure, are analyzed at the level of the canister structure with ANSYS finite element software, and stresses and displacements are calculated. While remaining below the allowable displacement values in the standby conditions of the canister, it is aimed to optimize the weight of the corner and rail parts.
For this purpose, optimization studies have been completed by using design of experiments and response surface methods by considering the design constraints and boundary conditions of the corner and rail parts.
According to the optimization study of the the corner and rail parts on the canister, it is observed to obtain that 51.1% weight reduction on the corner and 10.3% weight reduction on the rail compared to first design on the canister corner and rail parts.
As a result of all these optimization studies carried out for the sheet metal plate, corner and rail parts of the canister, a 12.0% weight reduction was achieved at the canister structure by adhering to the constraint functions under static conditions compared to the original design.