Akışkan-katı etkileşimi ile füze kanardının aeroelastik davranışının incelenmesi
Investigation of aeroelastic behavior of a missile canard with fluid-structure interaction
Yazar: MUSTAFA ÖZÇATALBAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI USLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kanardlar füze ve uçaklarda kontrol amaçlı kullanılan elemanlardır. Bir kanard sisteminin kendisini hareket ettiren kontrol sistemi ile uyumunu sağlayabilmek için aeroelastik davranışı bilinmelidir Ancak, yapıda var olan mekanik boşluklar sistemin davranışını doğrusal olmayan bir hale sokar ve kanardın dinamik karakteristiğinin belirlenmesini zorlaştırır. Bahsi geçen problemden yola çıkarak bu tez kapsamında, şaft-eyleyici bağlantısında boşluk bulunan kanard sisteminin aeroelastik davranışı incelenmiştir. Ele alınan aeroelastik problem çift yönlü ve zayıf etkileşimli Akışkan-Katı Etkileşimi (AKE) yöntemi ile çözülmüştür. AKE yönteminin parçaları olan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri STAR-CCM+, Sonlu Elemanlar (SE) analizleri ise ABAQUS yazılımları ile gerçekleştirilmiştir.
Tez kapsamında oluşturulan AKE yöntemi AGARD 445.6 kanadı üzerinde gerçekleştirilen çırpıntı testine ait sonuçlarla kıyaslanarak doğrulanmıştır. AGARD kanadının çırpıntı çalışmasında SE ve HAD modelleri öncelikle kendi içerisinde doğrulanmış, ardından AKE analizlerine geçilmiştir. AKE analizleri, sabit Mach sayısı ve sıcaklıkta akışkanın giriş basıncı değiştirilerek kanat hareketi sönümlenmeyene kadar tekrarlanmıştır. Sönümlenmeyen titreşimlerin elde edildiği koşul çırpıntı başlangıç koşulunu vermektedir. Çırpıntı başlangıç koşulları ile hesaplanan çırpıntı hız indeksleri ve çırpıntı frekans oranları test sonuçları ile karşılaştırıldığında AKE yöntemi ile hesaplanan değerlerin test sonuçlarına yakın olduğu ve hata oranının %10'dan düşük olduğu görülmüştür.
AGARD 445.6 kanadı üzerinde gerçekleştirilen çırpıntı analizlerini takiben şaft-eyleyici bağlantısında boşluk bulunan kanard-şaft sisteminin aeroelastik analizi gerçekleştirilmiştir. Yapıda var olan boşluk, konektör eleman ile modellenerek belirlenen boşluk miktarlarında şaftın burulma direngenliğinin sıfır olması sağlanmıştır. AKE analizleri öncesi SE modeli benzer bir kanard üzerinde gerçekleştirilen modal test-analiz karşılaştırması ile doğrulanmıştır. Kanarda ait HAD modelinde overset çözüm ağı kullanılmış ve böylece AKE çözümleri süresince kanard-gövde arasındaki dar bölgede kalan elemanların aşırı deforme olması önlenmiştir. AKE analizleri 3 farklı hücum açısı ve üç farklı boşluk durumu için gerçekleştirilmiştir. Analizler neticesinde, hücum açısının ve boşluk miktarının artması ile kanard ve şafta ait titreşim genliklerinin arttığı, titreşim frekanslarının ise azaldığı görülmüştür. Boşluğun olmadığı durumlarda kanard ve şafta ait cevap frekansları sistemin birinci moduna yakın iken, şaftın dönme yönünde bulunan boşluk etkisi, cevap frekanslarının düşmesine sebep olmuştur.

Abstract:
Canard is a type of control surface used in airplanes and missiles. Aeroelastic behavior of a canard system should be known to comply with the control system which is used to actuate the canard. However, mechanical gaps causing free-play make the system behavior nonlinear and determining the dynamic characteristics of the canard becomes a challenging problem. Based on the mentioned problem, aeroelastic behavior of a canard system which has free-play in its shaft-actuator connection is investigated. The aeroelasticity analyses are performed with two way loosely coupled Fluid Structure Interaction (FSI) method. As parts of FSI, Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses are done with STAR-CCM+ and ABAQUS is used to accomplish Finite Element (FE) calculations.
FSI procedure followed in the thesis is verified with the flutter test results of AGARD 445.6 wing. Before the FSI analyses which are performed to obtain flutter onset, FE and CFD models are validated separatelly. Then, FSI anaylses are repeated with different inlet pressure until undamped wing oscillations occured while the inlet Mach number and temperature are kept constant. The flow conditions which bring about undamped oscillations give the flutter onset. According to flutter speed indexes and flutter frequency ratios calculated with flutter onset conditions, the values obtained by FSI method are close to the test results and maximum error is lower than 10%.
After flutter analyses of AGARD 445.6 wing, aeroelastic analyses of a canard which has free-play in its shaft-actuator connection are investigated. Free-play is modelled with a connector element and zero torsional stiffness is introduced between free-play boundaries. Before the FSI analyses, FE model is verified with modal test-analysis comparison on a similar canard model. During the FSI analyses, overset mesh method is used to prevent excessive deformation of elements which are in narrow gap between canard and missile body in the CFD model. Three different angle of attack positions and free-play sizes are evaluated in FSI analyses. As a conclusion of the study, it is acquired that canard and shaft vibration amplitudes increase with increasing angle of attack and free-play while the response frequencies decrease. In case of zero free-play condition, response frequencies are close to first mode of the canard; however, free-play effect reduces response frequencies.