Yapısal optimizasyon ile helikopter kuyruk konisinin doğal frekansının değişimi
Change of the natural frequency of the helicopter tail cone bystructural optimization
Yazar: KEREM AKKAŞOĞLU
Danışman: PROF. DR. NİZAMİ AKTÜRK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Helikopterler doğası gereği çok fazla dönel elemana sahip ve yoğun bir şekilde titreşime maruz kalan hava araçlarıdır. Bu titreşimler çoğu zaman risk teşkil etmese de bazı durumlarda çok riskli olabilmektedir. Helikopterler yapısalları da diğer tüm yapılar gibi doğal frekans değerlerine sahiptirler ve bu doğal frekans değerleri tahrik frekansı değerleri ile çakıştığında yapı rezonansa girerek statik yüklerden daha yüksek dinamik yüklere maruz kalabilmektedir. Bu dinamik yükler ise kırıma(kırılmaya) kadar ulaşabilecek durumlara neden olabilir. Bu yüksek lisans tez çalışmasında tahrik frekansı ile çakışan doğal frekans değerleri için yapısal bir optimizasyon çalışması yapılmış ve bu değerler ötelenmeye çalışılmıştır. İlk olarak helikopter kuyruğunu oldukça iyi şekilde temsil eden sonlu elemanlar modeli hazırlanmış, ardından yapılan çekiç darbe testi ile bu model doğrulanmıştır. Yapılan optimizasyon çalışmaları ile de yapının doğal frekans değeri ötelenmeye çalışılmıştır.  Sistemin sönümlü doğal frekansının değişimi yapının sönüm katsayısının, kütlesinin veya eşdeğer yay sabiti değerinin (rijitliğinin) değişimi ile mümkün olmaktadır. Helikopterlerin yapısal kısımlarında genellikle sönümleme amacıyla kullanılan bir yapı veya mekanizma bulunmamaktadır. Bu sebeple kütle ve yay sabitinin değişimi oldukça büyük önem arz etmektedir. Yapısal optimizasyon kapsamında helikopter kuyruğunun yapısal elemanlarının malzemeleri, kalınlıkları ve kesitleri değiştirilmiştir. Böylece yapının eş değer yay sabiti ve kütlesi değiştirilmiş ve bu değişiklikler sonlu elemanlar modeline yansıtılarak her değişiklik için model koşturularak elde edilen benzetim sonuçları incelenmiştir. Çalışmalar sonucunda kütle ve yay sabiti değerinin değişimi ile doğal frekans değerlerinin değişimi ve bunun istenilen aralıklarda olup olmadığı incelenmiştir. Yapılan çalışmalarda mod şekline göre yüksek deplasman görülen konumlara eklenen düşük ilave ağırlıkların bile büyük etkiye sahip olacağı, benzer şekilde bu konumlarda yapılan inceltmeler sonucu ağırlık azaltmanın da kayda değer doğal frekans değişimlerine sebep olacağı görülmüştür. Ayrıca aynı ağırlıkta ve alüminyum malzemeden geleneksel yöntemler ve bal peteği levha olarak üretildiği düşünülen yatay kuyruk modeli sonucunda eşdeğer yay sabitinin farklı olmasından dolayı aynı mod şekli için farklı doğal frekans değerleri görülmüştür.

Abstract:
By nature, helicopters are structures that have many rotating elements and are subject to intense vibration. Although these vibrations do not pose a risk most of the time, they can be very risky in some cases. Like all structures, helicopters also have natural frequency values, and when these natural frequency values coincide with the drive frequency values, the structure can resonate and be exposed to more dynamic loads than static loads. These dynamic loads can cause situations that can reach up to breaking. In the study, a structural optimization study will be made for the natural frequency values that coincide with the drive frequency and these values will be tried to be shifted. Firstly, a finite element model that represents the helicopter tail very well was prepared, and then this model was verified by the hammer impact test. With the optimization studies, the natural frequency value of the structure was tried to be shifted. The change of the damped natural frequency of the system is possible by changing the damping coefficient, mass or equivalent spring constant value (rigidity) of the structure. There is no structure or mechanism used for damping in the structural parts of helicopters. For this reason, the change of mass and spring constant is of great importance. Within the scope of structural optimization, the materials, thickness and cross-sections of the structural elements of the helicopter were changed. Thus, the equivalent spring constant and mass of the structure were changed and these changes were applied to the finite element model and the simulation results obtained by running the model for each change were examined. As a result of the studies, the change of mass and spring constant value as a result of these change of natural frequency values and whether this is in the desired ranges were examined. In the studies, it was seen that even low additional mass added to the positions with high displacement according to the mode shape will have a great effect, and similarly, weight reduction as a result of thickness reduction at these positions will also cause significant natural frequency changes. In addition, different natural frequency values were observed for the same mode shape due to the difference in the equivalent spring constant for the horizontal tail modelled with the same weight and same aluminum material by traditional methods and produced as a honeycomb plate.