Havacılık taşıtlarındaki uygulamalar için karbon lif takviyeli kompozit yüksek basınç/yakıt tankı tasarımı ve üretimi
High pressure/fuel vessel reinforced with carbon fiber composite design and production for aerospace applications
Yazar: OĞUZ ERYILMAZ
Danışman: PROF. DR. ERHAN SANCAK
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Braiding = Braiding ; Karbon lifler = Carbon fibers ; Kompozit malzemeler = Composite materials ; Tanklar = Tanks

Özet:
Havacılık uygulamalarında sıkıştırılmış gazların geniş çaplı kullanımı, güvenli ve hafif olan kompozit yüksek basınçlı depolama sistemleri için yükselen bir talebe yol açmaktadır. Günümüz havacılık endüstrisinde kullanılmakta olan basınçlı tankların spesifikasyonları diğer tüm endüstride kullanılan basınçlı tanklara göre farklıdır. Örneğin, otomotiv sektöründe maliyeti en düşük malzeme eğer asgari şartları sağlamakta ise parça üretiminde tercih edilebilmektedir. Ancak havacılıkta, maliyetten ziyade temel tercih malzeme mukavemeti ve buna bağlı olarak maksimum güvenlik anlayışı söz konusudur.
Endüstride yaygın olarak kullanılan kompozit basınçlı tank üretim yöntemi filament sarımdır. Filament sarım oturmuş köklü bir teknolojidir. Ancak gelecekteki kompozit basınç tanklarına olan dramatik talep artışı gibi zorluklar, alternatif üretim yöntemlerinin araştırılmasını gerektirmektedir. Artan kompozit basınçlı tank talebini karşılamak için çeşitli alternatif teknolojiler bulunmaktadır. Bunlardan biri radyal braiding üretim yöntemidir. Filament sarımda, bir mandrel üzerine sınırlı sayıda fiber sarımı yapılabilmektedir ve bu durum üretim kapasitesini olumsuz olarak etkilemektedir. Braiding yönteminde ise, aynı anda çok sayıda fiberin sisteme aktarılması mümkün olup standart makinelerde bu fiber sayısı 200'e kadar olanak vermektedir. Bu durum da braiding yönteminin filament sarıma göre oldukça yüksek üretim hızına neden olmaktadır. Braiding üretim yönteminde istenen yapıya göre makinedeki bobin sayısı önemli bir parametre olup üretim hattı için dikkate alınması gereken önemli bir husustur. Ayrıca, yapılan araştırmalarda braiding yöntemi ile elde edilen kompozitin, filament sarımlı kompozit yapıya göre belirli yük durumlarında kırılma direncinin daha fazla olduğu görülmüştür. Daha iyi kırılma direncine sahip olduğu bilinen braiding ile üretilmiş kompozit yapılar, birbirine kenetlenen fiber mimarilerdir. Bu özellikle ani darbe performansını artıran en önemli faktördür.
Bu tez çalışmasında gerçekleştirilen araştırma, kompozit basınçlı tankların (CPV) üretimi için alternatif üretim teknolojilerinden biri olan braiding teknolojisini havacılık alanında kullanımını incelemektedir. Yapılmış olan bu çalışma, karbon lif takviyeli kompozit basınçlı tankların mekanik, basınç ve yapısal analizlerini içermektedir. Tezin ilk bölümü giriş kısmı ile başlayıp ikinci kısmında kompozit basınçlı tankların imalatında hâlihazırda kullanılan teknik durum ve mevcut üretim yöntemi olan filament sarım hakkında teknik bilgiler içermektedir. Ayrıca bu bölümde kompozit basınçlı tankların temel mühendislik prensipleri anlatılmış ve iç astar üretim yöntemlerine de kısaca değinilmiştir. Aynı zamanda bu bölüm kompozit basınçlı tankların imalatında alternatif üretim teknolojileri fırsatlarına yönelik bir inceleme de sunmakta olup bu bölümdeki araştırma, alternatif yollarla basınçlı tankların geliştirilmesi için bir bağlam sağlamaktadır. Bu alternatif yollardan biri olan braiding üretim yöntemi, bu kısmın odak noktalarından birisidir. Bir kompozit preform yöntemi olarak braiding işleminin temelleri, makinenin çalışması ve preform üretim parametreleri bu bölümde tartışılmaktadır. Son olarak, braiding basınçlı tankların üretimine odaklanılarak ilgili üretime ait bir özet sunulmuştur.
Braiding üretim yöntemi kullanılarak CPV'lerin tasarımı ve üretimi materyal ve yöntem kısmı olan üçüncü bölümde tartışılmaktadır. İç astar, braiding üretimi için fiberlerin üzerine takviyelendirme yapıldığı bir kalıp olarak kullanılır. Braiding ile CPV üretim işlemi için gerekli braiding açısının hesaplanması, kompozit lamina için gerekli örtme faktörü, robotik kola entegre mandrelin hızı ve programlanması gibi parametreler basınçlı tankların tasarım sürecine dâhil edilmiştir. Ek olarak, vakum infüzyon ile konsolidasyon işlemlerinin temel gereksinimleri verilerek sağlam bir kalıplama için tasarımlar sunulmuştur.
Üretilmiş olan CPV'lere ait kompozit malzeme özelliklerinin mezo ölçekte davranışının daha yakından incelenmesi ise bulgular ve tartışma kısmı olan dördüncü bölümde işlenmiştir. Kompozit tankların hasar aldığı basınç davranışlarına ilişkin hasar analizleri ANSYS ACP kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Hidrostatik patlatma testi ile CPV'lere ait ilk ve nihai patlama basınçları tespit edilmiş olup simülasyon verileri ile karşılaştırılmaları yapılmıştır. Son bölüm olan sonuçlar ve öneriler kısmında ise yapılan tezin nihai bir değerlendirilmesi yapılmıştır.

Abstract:
The extensive use of compressed gases in aerospace applications is leading to a rising demand for composite high-pressure storage systems that are safe and lightweight. The specifications of the pressure vessels used in today's aviation industry are different from the pressure vessels used in all other industries. For instance, the material with the lowest cost in the automotive industry can be preferred in the production of parts if it meets the minimum requirements. However, in aviation, the main preference is material strength and, accordingly, maximum safety, rather than cost.
Composite pressure vessel production method, which is widely used in the industry, is filament winding. Filament winding is a well-established technology. However, challenges such as the dramatic increase in demand for future composite pressure vessels require the exploration of alternative production methods. Various alternative technologies exist to meet the increasing demand for composite pressure vessels. One of them is the radial braiding production method. In filament winding, a limited number of fibers can be wound on a mandrel, which negatively affects the production capacity. In the braiding method, it is possible to transfer many fibers to the system at the same time, and this fiber number allows up to 200 in standard machines. This situation causes a very high production rate of the braiding method compared to filament winding. The number of bobbins in the machine is an important parameter according to the desired structure in the braiding production method, and it is an important factor to be considered for the production line. Besides, in the researches, it has been seen that the composite obtained by braiding method has a higher impact resistance under certain load conditions compared to the filament wound composite structure. Composite structures produced by braiding, which are known to have better impact resistance, are interlocking fiber architectures. This is the most important factor that increases the sudden impact performance.
The research carried out in this thesis study examines the use of braiding technology, which is one of the alternative production technologies for the production of composite pressure vessels (CPV), in the field of aviation. This study includes mechanical, pressure and structural analyzes of carbon fiber composite pressure vessels.The first part of the thesis starts with the introduction and the second part includes technical information about the state-of-the-art production of composite pressure vessels which is filament winding. Moreover, in this section, the basic engineering principles of composite pressure vessels are explained and the liner production methods are briefly mentioned. At the same time, this chapter provides a review of alternative manufacturing technologies opportunities in the manufacture of composite pressure vessels. the research in this chapter provides a context for the development of pressure vessels by alternative methods. The braiding production method, which is one of these alternative methods, is one of the focus of this section. The fundamentals of braiding as a preform manufacturing method, the operation of the machine and the preform production parameters are discussed in this section. Finally, a summary of the production is presented, focusing on the production of braided pressure vessels.
The design and fabrication of CPVs using the braiding production method are discussed in the third section, which is the material and method part. The liner is used as a mold on which the fibers are reinforced for braiding production. Parameters such as the calculation of the braiding angle required for the braiding and CPV production process, the coverage factor required for the composite laminate, the speed and programming of the mandrel integrated into the robotic arm were included in the design process of the pressure vessels. In addition, designs are presented for a robust molding by giving the basic requirements of vacuum infusion and consolidation processes.
A closer examination of the meso-scale behavior of the composite material properties of the produced CPVs is covered in the fourth chapter, which is the findings and discussion part. Failure analyzes regarding the pressure behavior of the composite vessels were carried out using ANSYS ACP. The first failure and ultimate burst pressures of the CPVs were determined by the hydrostatic burst test and compared with the simulation datas. In the last section, which is the conclusion, a final evaluation of the thesis was studied.