Bir uçak kanadının hücum kenarına kuş çarpmasının düzgün parçacık hidrodinamiği kuş modeli kullanarak sayısal incelenmesi
Numerical investigation of bird strike on the leading edge of an aircraft wing using a smooth particle hydrodynamic bird model
Yazar: MEHMET FURKAN SARIBAŞ
Danışman: PROF. DR. SAMİ KARADENİZ
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Hidrodinamik model = Hydrodynamic model ; Hücum kenarı = Leading edge ; Kuş modeli = Bird model ; Kuş çarpması = Bird strike ; Sertifikasyon kriterleri = Certification criteria ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method

Özet:
Havacılığın başlangıcından bu yana, kuş çarpması vakaları uçuş güvenliği için her zaman ciddi bir risk oluşturmuştur. Bilgisayarların ve sayısal hesaplamaların yetersiz olduğu zamanlarda, kuş çarpması olayı deneysel teştlerle yapılmaya çalışılmıştır. Ancak deneysel testlerin uzun sürmesi, tekrarlanabilirliğinin bir hayli zor olması ve çok yüksek maliyetler gerektirmesi sebebiyle kuş çarpması olayı zamanla bilgisayar ortamına taşınmış ve bu ortamda modellenip simüle edilmeye başlanmıştır.  
FAA (Federal Havacılık İdaresi), FAR (Federal Satın Alma Yönetmeliği) ve EASA (Avrupa Havacılık Emniyeti Ajansı) gibi ulusal havacılık otoriterileri bir uçağın uçuşa elverişli olabilmesi için belirli sertifikasyon kriterlerini sağlamasını istemektedirler. Her bir otoritenin kendine göre kriterleri olmakla beraber bu çalışmada baz alınan otorite FAA'dır. FAA'ya göre; bir uçak seyir hızındayken, 4 Ib (1.81 kg) kütleli bir kuşla çarpışması durumunda güvenli inişi garanti etmelidir.
İstatistiklere göre uçak kanadı, bir uçağın kuş çarpmasına karşı en savunmasız yapılarından biridir. Bu tez çalışmasının amacı, uçak kanadının hücum kenarının tasarımının kuş çarpmasına karşı yeterince dayanıklı olup olmadığını farklı simülasyon modellerini kullanarak göstermektir. Kuşun modellenmesinde, SPH (Düzgün Parçacık Hidrodinamiği) yöntemiyle oluşturulan yarım küre uçlu bir silindir kullanılmıştır. Daha sonra bu kuş modelinin yönteminin doğrulanması için, rijit bir hedefe bir kuş çarpması simülasyonu yapılmış ve sonuçlar mevcut deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. 
Hedef olarak kullanılan uçak kanadının, CATIA V5 programı ile katı modellemesi yapılmış ve bu kanattan hücum kenarı kesiti alınmıştır. Bu hücum kenarı kesiti için, LS-DYNA programında sonlu elemanlar (FE) modeli hazırlanmıştır. Modelleme işlemi tamamlandıktan sonra, farklı simülasyon düzenekleri kurulmuştur. Bu simülasyonlar; kanat dış kaplamasının malzeme yapısına, kullanılan kompozitin fiber dizilimine, kanat kabuğuna eklenilen takviye malzemesinin çeşidine, kuş modelinin yüzey alanına, kuşun kanatta çarptığı bölgeye ve kuşun çarpma açısına bağlı olarak çeşitlilik göstermektedir.
Kuş, her simülasyon modeli için kanat hücum kenarının tam ortasına denk gelecek şekilde çarptırılmıştır ve sonuçlar maksimum etkin gerilme, yer değiştirme değeri ve etkin plastik gerinim cinsinden karşılaştırılmıştır. 
Bu çalışmadan elde edilen sonuçlara göre; yüksek hızlı kuş çarpması darbelerine karşı 2xxx alüminyum alaşımlarının mukavemetinin yeterli seviyede olmadığı görülmüştür. Bununla birlikte;  kabuk elemanı için çarpraz fiber dizilimine sahip kompozit malzeme kullanılması, ön kirişi olumlu yönde etkilemiştir. İlaveten; kabuk ve ön kirişten oluşan bir hücum kenarı yapısı için kuş çarpması etkisinin bölgeden bölgeye göre farklılık göstermediği görülmüştür. Ayrıca, kuş çarpması analizlerinde gerçeğe yakın bir SPH kuş modelinin kullanılmasının ve kuşun hücum kenarına açılı bir şekilde çarptırılmasının gerekliliği anlaşılmıştır.

Abstract:
Since the beginning of aviation, cases of bird strikes have always posed a serious risk to flight safety. When computers and numerical calculations were insufficient, the bird strike event was tried to be done with experimental methods. However; due to the fact that experimental tests took a long time, their reproducibility was very difficult and required very high costs, the bird strike event was eventually transferred to a computer environment and began to be modeled and simulated in this environment.
National aviation authorities such as the FAA (Federal Aviation Administration), FAR (Federal Acquisition Regulation), and EASA (European Aviation Safety Agency) require for an aircraft to ensure certain certification criterias in order to be suitable for flight. Although each authority has its own criteria, the authority based on this study is the FAA. According to the FAA; when an aircraft is at cruising speed, it must guarantee a safe landing in case of a collision with a bird with a mass of 4 Ib (1.81 kg).
According to statistics, the aircraft wing is one of the most vulnerable structures of an aircraft to a bird strike. The purpose of this thesis to demonstrate using different simulation models devices whether the design of the leading edge of the aircraft wing is sufficiently resistant to bird strike. In the modeling of the bird, a hemispherical-tipped cylinder created by the SPH (Smooth Particle Hydrodynamics) method was used. Then, in order to verify the method of this bird model, simulation of a bird strike on a rigid target was performed and the results were compared with the available experimental data.
Solid modeling of the aircraft wing used as target was modeled with the CATIA V5 program, and a leading edge section was taken from this wing. For this leading edge, a finite element (FE) model has been prepared in the LS-DYNA program. After the modeling process was completed, different simulation mechanisms are created. These simulations vary depending on the material type of wing shell, fiber sequence of the composite wing shell, type of reinforcement material added to the wing shell, surface area of the bird model, region where the bird strikes the wing leading edge, and bird strike angle.
The bird was striked to the exact center of the wing leading edge for each simulation model, and the results were compared in terms of maximum effective stress, displacement value, and effective plastic strain. 
According to the results obtained from this study; it has been observed that the strength of 2xxx aluminum alloys is not at a sufficient level against high-speed bird strikes. With this; the use of cross-ply fiber sequence composite materials for shell element had a positive effect on the front spar. Additionally; for a leading edge structure consisting of a shell and front spar, it was observed that the bird strike effect did not change from region to region. In addition, it has been understood that a realistic SPH bird model should be used in bird strike analyses and the bird should be struck at an angle to the leading edge.