Uçak kabuk panellerinde oluşan titreşim ve burkulmanın kısıtlandırılmış sönümleme katmanı kullanılarak incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of vibration and buckling in aircraft skin panels using constrained layer damping
Yazar: MURAT ÜNAL
Danışman: PROF. DR. ERDEM ACAR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Titreşim ve burkulma analizi çalışmaları havacılık alanında devam eden önemli zorluklardandır. Özellikle uçakların yolcu kabinlerinin kabuk panellerinde dış basınç ve yükler sonucu oluşabilecek titreşimin, sesin ve burkulma problemi riskinin düşük kütleli yapılarla minimum seviyeye indirilebilmesi literatürde çalışılmaya devam edilen önemli konulardan biridir. Bu yapıların rezonansa girmesini ve rezonans sebebiyle oluşabilecek yapı deformasyonu ile yükler sayesinde oluşabilecek burkulma problemini önlemek ve iki durumu aynı anda kontrol edebilecek tasarımı yapmak oldukça zordur. Yapıların yüzeyine viskoelastik sönümleme katmanı eklenmesi; geleneksel, düşük bütçeli, düşük kütleli ve kolay uygulanabilir yöntemdir. Kısıtlandırılmış sönümleme katmanı (ing. constrained layer damping, CLD) yüzeye eklemeli sönüm katmanlarının en önemlilerinden biridir. Bu çalışmada, kabuk panelde CLD kullanılarak titreşim ve yapısal burkulma problemi altındaki karakteristiği incelenip tasarım parametrelerinin etkisi karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, minimum kütlede maksimum sönümlemeye ve minimum kritik burkulma yüküne ulaşılacak üretilebilir kabuk panel modeli elde edilmiştir. İlk aşamada, titreşim analizinde modelleme yönteminin doğrulanması için örnek bir çalışmadaki kiriş eleman modelinin, CLD kullanılarak gerçek ve karmaşık öz değer analizi yapılarak viskoelastik yapının doğal frekansları ve mod şekilleri elde edilmiştir. Ardından, frekans bazlı malzeme parametreleri değişen yapı, burkulma analizi için eş değer modülü yöntemiyle basit modele indirgenmiş ve sonlu elemanlar yöntemi ile burkulma analizi gerçekleştirilmiştir. Burkulma analizi modeli sınır koşulları, basit plakanın el hesabıyla burkulma analizi sonuçları ile doğrulanmıştır. Çalışmada CLD yapılarının burkulma problemi altındaki karakteristiği ilk defa incelenmiş olup, aynı kalınlıktaki ana yapı ile kritik burkulma yükü karşılaştırıldığında %30'luk iyileşme görülmüştür. Hedeflenen uygun tasarımın bulunması için tasarım parametreleri ana katman malzemesi, kısıtlama katmanı malzemesi, katman sayısı, ana katman kalınlığı, kısıtlama katman kalınlığı olan problem Taguchi deney tasarımı kullanılarak 36 deney tasarımı sonucunda çok kriterli karar verme yöntemi olan TOPSIS yöntemi ile en uygun tasarıma ulaşılarak optimizasyonu yapılmıştır.

Abstract:
The analysis of vibration and buckling remains a significant challenge in the field of aviation. Particularly, minimizing the risk of vibration, noise, and buckling issues resulting from external pressures and loads on the shell panels of aircraft passenger cabins is an ongoing concern in the literature. Preventing these structures from resonating and controlling both resonant-induced structural deformation and buckling problems simultaneously is quite challenging. Adding a viscoelastic damping layer to the surface of structures is a traditional, low-budget, lightweight, and easily applicable method. Constrained layer damping (CLD) is one of the most important types of added damping layers. In this study, the characteristics of vibration and structural buckling under the use of CLD in shell panels were investigated, and the effects of design parameters were compared. As a result, a producible shell panel model achieving maximum damping with minimum weight and minimum critical buckling load was obtained. Initially, for the validation of the modeling method in vibration analysis, natural frequencies and mode shapes of a beam element model were obtained by conducting real and complex eigenvalue analyses using CLD. Subsequently, the structure with frequency-based material parameters was simplified using the equivalent modulus method for buckling analysis, and finite element analysis was performed for buckling analysis. The buckling analysis model was validated with boundary conditions, and the results were verified with hand calculations for simple plate buckling analysis. The characteristics of CLD structures under buckling conditions were examined for the first time in this study, resulting in a 30% improvement in critical buckling load compared to the primary structure with the same thickness. To find the desired optimal design, design parameters such as primary layer material, constraint layer material, number of layers, primary layer thickness, and constraint layer thickness were optimized using the Taguchi experimental design with 36 experiments, and the optimization was performed using the TOPSIS method, a multi-criteria decision-making approach.