Kompozit panellerin genetik algoritma ile yapısal optimizasyonu
Structural optimization of composite panels by genetic algorithm
Yazar: TEVFİK CAN BAŞSÜLLÜ
Danışman: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates ; Yapı optimizasyonu = Structural optimization

Özet:
Havacılıkta kompozit malzemelerin kullanımı her geçen gün artmaktadır. Kompozit malzemeler sayesinde yüksek mukavemete ve düşük ağırlığa sahip yapılar elde edilebilmektedir. Bu tezdeki amaç kompozit panellerin optimizasyonu yapılarak belirli yüklemeler altında en yüksek dayanımı gösteren yapıların elde edilmesidir. Genetik algoritma yöntemi kullanılarak yüksek değişken sayısına sahip kompozit yapıların amaç fonksiyonu doğrultusunda kısıtlar altında global optimumlarını hızlı bir şekilde bulması hedeflenmiştir. Problemde yapının stabilitesi göz önüne alınarak katman dizilim optimizasyonu yapılmıştır. Stabilite için kullanılan gösterge burkulma dayanımı olacaktır. Verilen yükleme ve istenilen sınır koşulları altındaki yapının dayanabileceği en yüksek burkulma yüküne dayanabilmesi için optimize edilecektir. Plaka düz olarak düzlem içi yüklemelere maruz bırakılmıştır. Farklı sınır koşullarında sahip plakalar kullanılmıştır. Basit mesnetli, ankastre mesnetli ve üç kenarı basit mesnetli bir kenarı serbest plaka için çalışmalar yapılmıştır. Basit mesnetli plakada iki eksenli yükleme uygulanıp farklı yükleme oranları kullanılmıştır. Artan yükleme oranlarına göre plakanın burkulma yükünün dayanımının düştüğü gözlenmiştir. Ankastre mesnetli olduğunda basit mesnetliye göre yapının burkulma yükü dayanımında artış olmuştur. Bir kenarı serbest olan basit mesnetli yapı da ise burkulma yükü dayanımında büyük düşüş olmuştur. Plakalar gerinim ve Tsai-Wu göçme teorilerine göre değerlendirilmiştir. Burkulma yükünün büyüklüğü gerinim veya Tsai-Wu göçme teorilerine göre hesaplanmıştır. Bütün kenarların ankastre olduğu durumda burkulma yükü fazla geldiği için gerinim ve Tsai-Wu kriteri baskın olmuştur. Ancak bir kenarı serbest olan basit mesnetli plaka için de gerinim ve Tsai-Wu göçme teorilerini kısıtlarının hiçbir etkisi olmamıştır. Tüm kenarları basit mesnetli olan ise göçme teorileri burkulma yükünü sınırlandırıcı etki yapmıştır. Kısıtlara ardışık katman diziliminin de kontrol edilebilmesi için ardışık katman dizilimi eklenerek 0 ve 90 yönündeki katmanların bir araya toplanmasının önüne geçilmek istenmiştir. Ardışık katman dizilimi ise burkulma yükünü yükleme koşuluna ve sınır koşuluna göre etkilemektedir. Elde edilen tüm dizilimlerdeki burkulma dayanımları daha sonra FEM ile kıyaslanmıştır. Kısıtlar arttıkça elde edilen sonuçlardaki burkulma dayanım yükleri FEM sonuçları yakınsamaktadır. Böylelikle elde edilen sonuçların tutarlı gösterilmiştir. Genetik algoritma programlaması MATLAB kullanılarak hazırlanmıştır.

Abstract:
Nowadays the usage of composite materials in aviation industry is increasing day by day. Thanks to composite materials, structures with high strength to weight ratios can be obtained. The aim of this thesis is to obtain structures that show the highest stability under certain load conditions by optimizing the composite panels. Genetic algorithm was used to achieve quick and reliable solutions of global optimums of composite panels. Considering the stability of the structure in the problem, stacking sequence optimization was done. The indicator used for stability will be the buckling strength. It will be optimized to withstand the highest buckling load that the structure can withstand under the given constraints and desired boundary conditions. The flat plate was subjected to in-plane loads. Plates with different boundary conditions were used. Studies have been carried out for simple supported, clamped and simple supported on three sides free on one edge  boundary conditions. Biaxial loading is applied to simply supported plate and different loading ratios are used. It was observed that the buckling load capability of the plate decreased with increasing loading ratios. Clamped boundary condition have higher buckling load compared to simply supported. On the other hand, there was a great decrease in the buckling load of the simply supported structure with one free edge. Plates were evaluated according to strain and Tsai-Wu failure theories. Strain or Tsai-Wu failure theories are applied as constraints to problem. For clamped boundary condition, strain and Tsai-Wu failure criteria are dominant because buckling load capability is very high. However, the constraints of strain and Tsai-Wu failure theories had no effect for the simply supported plate with one edge free. 
The failure theories have limited effect on the buckling load for simply supported case. In order to control the stacking sequence, it is aimed to prevent the more than four consecutive layers from gathering together in the 0 and 90 directions. Contiguous ply control is applied as constraint to the problem. The contiguous ply control arrangement affects the buckling load according to the loading condition and boundary condition. All calculated buckling load of all obtained stacking were then compared with FEM result. As the constraints increase, the buckling loads in the obtained stacking results converge to the FEM results. Thus, the results obtained by analytical are consistent. Genetic algorithm programming was coded using MATLAB.