Helikopter kuyruk rotor hatve kolunun topolojik optimizasyon temelli eklemeli imalatı ve test edilmesi
Topological optimization-based additive manufacturing and testing of helicopter tail rotor pitch control arm
Yazar: SÜLEYMAN DEMİR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KURT ; PROF. DR. TEMEL KOTİL
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Askeri havacılık = Military aviation ; Dişli rotor sistemleri = Geared rotor systems ; Doğrusal olmayan optimizasyon = Non-linear optimization ; Kısa ömürlü yorulma = Low cycle fatique ; Nikel-titanyum alaşımları = Nickel-titanium alloys ; Sivil havacılık = Civil aviation ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization ; Yüksek mertebeli sonlu elemanlar = Higher order finite elements ; Yüzey yorulması = Surface fatigue ; Şekil optimizasyonu = Shape optimization

Özet:
Bu çalışmada, çok yönlü bir yaklaşım benimsenerek helikopter kuyruk rotor hatve kolunun topolojik optimizasyon temelli eklemeli imalatı ve test edilmesi üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Bu kapsamda, Al 7050-7452 alüminyumdan imal edilen hatve kontrol kolunun yorulma testleri gerçekleştirilerek S/N eğrisi oluşturulmuş ve kırılma bölgeleri incelenmiştir. Elde edilen S/N değerleri  kullanılarak FEA gerçekleştirilmiştir. Orijinal Al hatve kolunun mekanik özellikleri baz alınarak yorulma temelli topoloji optimizasyonu yapılmıştır. Aynı şekilde, 7000 serisi alüminyum ve yeniden üretilen titanyum hatve kolunun yorulma testleri yapılarak yeni bir eğri uydurma denklemi ile S/N eğrisi elde edilmiştir.  Helikopter rotoru yüksek çevrimli yorulmaya (HCF) maruz kalmaktadır. Yürütülen tez çalışmalarında kritik bir parçanın tasarımı için yorulma temelli topoloji optimizasyonu çalışılmıştır. Kapalı Soderberg (CS) yorulma kırılma kriteri ve Çift Yönlü Evrimsel Yapısal Optimizasyon (BESO) yöntemi kullanılarak hatve kontrol kolunun en iyi tasarımı elde edilmiştir. ANSYS ve ABAQUS yazılımları aracılığıyla yapısal analizler yapılmış ve sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizlerde elde edilen gerilme ve gerilme genliği değerleri Manson-McKnight yöntemiyle bulunmuştur. Optimizasyon probleminin biçimlendirilmesinde iki farklı hacim kısıtı uygulanarak parçanın en uygun geometrisi bulunmuştur. Oluşturulan yeni geometriler orijinal geometriye sadık kalınarak yeniden tasarlanmış, statik ve dinamik sonlu elemanlar analizi ile doğrulanmıştır. Al parçanın toplam kütleye göre yorulma bazlı topoloji optimizasyonu sonucunda elde edilen parçanın genel kütle, toplamda %34 oranında azaltılmıştır. Azaltılan ağırlığa göre titanyum hatve kolu iki farklı hacim kullanılarak 4 adet üretilmiş ve komponent bazında yorulma testleri uygulanmıştır. Her bir hacim kısıtı için, bir adet komponent Bilyalı dövme prosesine tabi tutulmuştur. 
Sonuçlar değerlendirildiğinde, bilyalı dövme işlemine uygulanan 0.3 hacim kısıtlı hatve kolu üretilerek Gökbey helikopteri üzerinde testleri tamamlanacaktır.

Abstract:
In this study, a comprehensive approach was adopted to carry out research on the topological optimization-based additive manufacturing and testing of the helicopter tail rotor pitch arm. In this scope, fatigue tests were conducted on the pitch arm control arm made of Al 7050-7452 aluminum to generate S/N curves and examine fracture areas. Finite Element Analysis (FEA) was performed using the obtained S/N curves and parameters. Fatigue-based topological optimization was conducted based on the mechanical properties of the original Al pitch arm. Similarly, fatigue tests were conducted on the 7000 series aluminum and re-manufactured titanium pitch arms to obtain S/N curves using a newly developed curve fitting equation. The helicopter rotor is exposed to high-cycle fatigue (HCF). Fatigue-based topological optimization was studied for the design of a critical component. The best design of the pitch arm control arm was achieved using the Closed Soderberg (CS) fatigue fracture criterion and the Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method. Structural analyses were performed using ANSYS and ABAQUS software, and finite element analyses were conducted. The stress and stress intensity values obtained during the analyses were determined using the Manson-McKnight method. By applying two different volume constraints in the formation of the optimization problem, the most suitable geometry of the component was found. The newly generated geometries were redesigned while maintaining the original geometry and verified through static and dynamic finite element analysis. The overall weight of the part obtained through fatigue-based topological optimization was reduced by 34% relative to the total weight of the Al part. Based on the reduced weight, four titanium pitch arm arms were produced using two different volumes, and component-level fatigue tests were applied. For each volume constraint, one component was subjected to the ball peening process. 
In conclusion, the pitch arm with a volume constraint of 0.3, which underwent the ball peening process, will be produced and tested on the Gökbey helicopter.