Kuş çarpmasına maruz helikopter kanopilerinin yapısal davranışı
Structural behavior of helicopter canopies subjected to bird strike
Yazar: MERİÇ KAHVECİOĞLU
Danışman: PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Kuş çarpmasının havacılık alanındaki tanımını yapılacak olursa; uçuş esnasında, kalkışta veya inişte, bir hava aracı ile bir kuş arasında gerçekleşen çarpışma olayı olarak ifade edilebilir. Kuş çarpması olayları, uçuş güvenliğini önemli derecede etkilemekle birlikte hava araçları için büyük bir tehdit oluşturmaktadırlar. Havacılık dünyasında gerçekleşen kuş çarpması olaylarında, önemli ölçüde kayıplar yaşanmaktadır. Geçmiş istatistiki veriler incelendiğinde; kuş çarpması olayları, yıldan yıla artış göstermektedir. Bu durumun yaşanması küreselleşme ile birlikte yıldan yıla artan uçuş sayısı, kuş popülasyonlarının dünya üzerindeki yayılma etkisi ve sürülerin göç durumu ile açıklanabilir. Tüm kuş çarpması vakaları incelendiğinde; çoğunlukla hava araçlarının kalkış ve inişleri sırasında, ya da düşük irtifadaki uçuşları sırasında meydana geldiği görülmektedir. Az sayıda da olsa, yüksek irtifalarda (6000-9000 m arası) kaydedilen kuş çarpması kazaları da bulunmaktadır. FAA'in 2005'te vahşi yaşam yönetimi konusunda hazırladığı rapora bakıldığında, kazaların %8'den azı 900 metrenin üzerinde gerçekleşmiştir. Kazaların %61'i ise 30 metreden düşük irtifalarda meydana gelmiştir. Uçağa çarpma kuvveti; çarpan nesnenin ağırlığına, hız farklarına ve çarpışmanın yönüne bağlı olmaktadır. Çarpma enerjisi, hız farkının karesi ile doğru orantılı olarak arttığından; küçük bir kuşun düşük hızda, bir araba ön canıma çarpması durumunda daha düşük bir zarar meydana gelecektir. Yüksek hızlı çarpışmalar önemli derecede maddi zarara yol açmakla birlikte ölümcül kazalara da sebebiyet vermektedirler. Ancak, FAA'e göre, kuş çarpmalarının sadece %15'i uçakta maddi hasara sebep olmaktadır. Son yıllarda (1990 ile 2009 arasında) gerçekleşen, hava araçları adına kayıtlı bulunan 99.420 kuş çarpması kazasının yaklaşık binde 5'i helikopterlere aittir ve helikopter kazalarının yaklaşık yüzde 50'si maddi zararla sonuçlanmıştır. Toplam kuş çarpması kazalarına bakıldığında, maddi hasarlı kazaların yüzde 4'ü, yaralanmalı kuş çarpması kazalarının ise yüzde 17'si helikopterlere aittir. İstatistiki verilere göre; bu projede incelenecek olan helikopterlerin kanopi bölgesine kuş çarpması; helikopter parçalarına kuş çarpması yüzdesi olarak en üst basamakta bulunmaktadır. Sertifikasyon amacıyla gerçekleştirilen deneylerde, çarpan ve çarptırılan cisimlerin çeşitliliği maliyetlerin yüksek olmasına sebep olmaktadır. Gerçekleştirilen bu deneylerde mevcut parametrelerin çokluğu, kuş çarpması kazasının test ortamında yapılmasını zorlaştırmaktadır. Bu koşullar düşünüldüğünde, kuş çarpması problemini bilgisayar ortamında gerçekleştirerek maliyet yükünden kurtulmayla birlikte, deneylerde kullanılan kuşların varlıklarını sürdürebilmesine olanak sağlanacaktır. Modelleme imkanlarını geliştirmek ve sayısal yöntemlerle doğrulama yapmak, zaman ve para kaybını ciddi anlamda önlemektedir. Çarpma etkisi altında uçak yapılarının nasıl tepki vereceğini tahmin edebilmek için, doğru şekilde bir kuş modeli oluşturulması gerekmektedir. Az sayıda deney yapılmış olmasıyla birlikte, kuş modelleri genelde son 30 yıldaki test verilerine göre geliştirilmektedir. Kuş modellemede kullanılan yöntemler, Lagrangian kuş modeli, ALE kuş modeli, ve SPH modeli olarak sıralanabilir. Birçok çalışma incelenerek elde edilen sonuçlarda, 1970'lerde basit simülasyon modellerinin kullanıldığı, ardından çarpan cismin Lagrangian ile modellendiği, sonraki zamanlarda ise, Lagrangian modelde çözüm ağı bozulmalarının fazla olmasından dolayı Eulerian ve SPH yöntemlerinin daha çok öne çıktığı ifade edilmiştir. Ayrıca, bu yöntemlerden hepsinin aslında dezavantajları olduğu, ancak farklı problemler için farklı yöntemlerin kullanılabileceği de sonuçlar içerisindedir. Bir diğer sonuç ise; oda sıcaklığında su ve hava karışımı özellikleri kullanılarak, çarpan cisim için SPH metodunun durum denklemi ile birlikte kullanımının ön plana çıkmasıdır. Bu sonuçlar doğrultusunda; model oluşturulurken, kuş karakterlerini en iyi yansıtan yöntem olan SPH metodunun kullanılması uygun görülmüştür. Kuş çarpması analizlerinde; ana problemler, şeklin seçimi ile başlar, malzeme özellikleri ve kuş modellemede kullanılacak olan simülasyon yaklaşımı ile devam eder. Katı kuş modeli oluşturmada, yaygın teknik olarak silindir, küre yada yarım küre uçlu silindir şekilleri kullanılır. Bu geometriler içinden, kuş geometrisine en yakın olan yarım küre uçlu silindir geometrisi, projede çarpan cisim olarak seçilmiştir. Malzeme özellikleri ise genel olarak suyun özelliklerine benzer olarak seçilmiş ve sıfır boşluk oranı kullanılmıştır. Yapılan kuş çarpması analizindeki asıl amaç, 2 farklı kanopi geometrisinin farklı bölgelerine farklı hızlarla yapılan çarpma analizlerinin nihayetinde elde edilecek sonuçların birbirleriyle karşılaştırılmasıdır. Havacılık sektöründe faal durumda bulunan Gazelle SA341 ve AS365 Dauphin helikopterlerinin kanopisinin modellemesi gerçekleştirilmiştir. LS-DYNA çözücüsünde; yarım küre uçlu silindir şeklinde oluşturulan ve SPH metodu ile modellenen kuş modelinin, oluşturulan iki farklı kanopi modelinin kritik olduğu düşünülen orta, üst ve köşe bölgelerine, 3 farklı hızla çarpma analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerin sonucunda; kanopi geometrileri üzerinde oluşan deplasman değerleri ile von Mises gerilmeleri, ve kuş geometrisi ile kanopilerin enerji değişimleri elde edilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Farklı kanopi geometrilerinin benzer noktalarına aynı hız ile yapılan çarpma analizleri sonucunda, geometri etkisiyle farklı sonuçlar ortaya çıkmış, bombeli yapılara nazaran düzlemsel yapıdaki kanopilerin kuş çarpmasına daha az dayanıklı olduğu sonucuna varılmıştır. Aynı kanopinin farklı noktalarına yapılan çarpma analizleri sonucunda ise çoğunlukla ankastre bağlı kenarlara yaklaştıkça, oluşan maksimum deplasman değerlerinin azaldığı gözlenmiştir. Bir kanopinin aynı bölgesine farklı hızlarla gönderilen kuşun çarpması sonucunda ise, artan enerjinin sonucu olarak; hız arttıkça oluşan maksimum deplasmanlar artmış ve maksimum von Mises gerilmeleri daha fazla çıkmıştır. Çarpma anında yüksek kinetik enerjiye sahip kuş modeli ise, çarpmadan sonra enerjisini kanopiye aktararak kanopinin kinetik ve iç enerjisinin zamanla artmasına sebep olmaktadır. Kaybedilen bu enerjinin çoğunu kanopi modeli iç enerji olarak almaktadır. Kuş geometrisinin iç enerjisi ise, diğer enerjilere nazaran az da olsa sürekli bir artış göstermektedir. Genel duruma bakıldığında ise, polikarbonat malzemesinin sünek özelliğinden (düşük kırılma gerinimi ve düşük elastisite modülü) dolayı, yüksek deplasmanlar elde edilmiş ancak verilen hızlarda kırılma olayı gerçekleşmemiştir. Daha yüksek hızlarda çarpma analizi yapılması durumunda kırılmanın gerçekleşeceği öngörülmektedir.

Abstract:
In aviation field; the definition of the bird strike can be expressed as a collision between any air vehicle and a bird while take off, descending or cruise flight. Bird strike incidents are a big threat to the air vehicles and have a significant effect to the flight safety. These strikes also lead to the rejected take off situations. Heavy losses occur on the bird strike incidents. In the last 20 years; there are 200 loss of lives during 18 big bird strike accidents. In addition, the annual cost of these bird strike events are 1.5 billion dollars for the whole aviation sector. According to the statistics of the past informations; bird strike occurences are increasing year by year, although the resistance of the structure of air vehicles to the strike is increasing while designing an aircraft. The main reasons of this contradiction can be explained as the increasing flight numbers year by year with the globalizing world, propagation of bird popoulations over the world and immigraton of flocks of birds. According to the investigation of all bird strike incidents, it can be clearly seen that these collisions mostly occurs during take off and landing phases or low altitude flights. However, there are also collisions with a small number which occurs during flight at high altitudes between 6000 and 9000 meters. Considering FAA, which was prepared for the topic of wild life management in 2005; less than 8% of the accidents occurred at above 900 meters altitude. On the other hand, 61% of the accidents occurred at less than 30 meters altitude. The force of any strike to an air vehicle is dependent to the weight of impacted object, speed differences and the direction of the collision. Since the strike energy is increasing as directly proportional to the square of speed difference, there would be a small damage in case of a collision between a small bird with low speed and a car windshield. The collisions with higher speeds not only cause material damages, but also results in several fatal accidents. However, according to the FAA, only 15 % of all bird strike incidents result in material damages. Recent years (Between 1990 and 2009), helicopters have 0,5 % of recorded 99420 bird strike accidents for air vehicles. Additionally, approximately half of the bird strike accidents on helicopters ended up with material damages. In accordance with the data of previous accidents, canopy has the maximum number of the strikes compared to the other components of helicopter. Considering the tests aiming certification process, the variety of birds and targets leads to high costs. Existing lots of parameters in the tests makes difficult to perform these tests. With these conditions, by solving these bird strike problems in computers will not only decrease the cost for the tests, but also save the life of birds which are used in these tests. By improving modelling possibilities and make corrections with numerical methods will significantly prevent loss of time and money. In order to predict how the aircraft structures will give a reaction in case of any bird strike, it is essential to create a bird model in an accurate way. With the fact that there exist only small numbers of tests, bird models are generally improved by the test data of last 30 years. LS Dyna solver is mainly used for this kind of problems. LS Dyna is the most ordinarily utilized unequivocal recreation program, equipped for simulating the reaction of materials to brief times of serious loading. Its numerous components, contact definitions, material models and different controls can be utilized to simulate complex models with control over every one of the subtleties of the issue. In order to perform a bird strike simulation, it is essential to model a bird or similar geometry. The main methods to model the bird object can be expressed as Lagrangian bird model, ALE bird model, and SPH model. The Lagrangian method divides an infinite volume to the so many elements which are small geometries. Related geometries have a simple shape, so it becomes easy to understand the state of the solid during the simulation with the mathematical expressions. It is increasingly difficult to calculate the state and the stresses in the elements because the time step is decreasing with large deformations. In the ALE formulation, related material goes through the mesh. A material moves through a fixed mesh similar to Eulerian formulation. On the contrary, mesh is allowed to deform and move so as to follow the flow of fluid. This situation decreases the size of the required mesh. The SPH method is a particle method. Unlike the particle in cell method, SPH does not need a grid to calculate spatial derivatives. Instead, they are found by analytical differentiation of interpolation formula. According to the main results, which were obtained by investigating lots of studies; basic simulation models were used in the 1970s, afterwards, the bird object was modelled with Lagrangian. After that, because of the fact that there are lots of meshing degradation in Lagrangian; Eulerian and SPH came to the fore. Besides, it is already known that all these methods have disadvantages, however, different methods can be used for different cases. The another result for the bird model is to use the equation of state with SPH method by using the characteristics of the mixture of water and wheather in the room temperature. In the direction of these results, in order to get most successful output, the most convenient method was chosen as SPH method to create bird model. In the bird strike simulations, the bird acts like a fluid and divides into very small particles in severe conditions. In order to verify the method of this project; the verification study for the article with the name of "Effect of distance from the support on the penetration mechanism of clamped circular polycarbonate armor plates" has been performed. In this study, the rigid projectile is impacted to the polycarbonate plate for the different locations with both experiments and analyses. The related strike is performed for the locations at 0 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm and 50 mm with 138 m/s velocity. In this article, the effect of the distance for the circular polycarbonate plate for the strike condition was investigated. In the bird strike simulations, the main problems begin with the selection of the geometry and continue with the material specifications and simulation approach which will be used in bird modelling. After having a wide literature review, it is found that there are several geometries used instead of bird geometry. Cylinder, sphere or cylinder wih semi spherical ends are commonly used geometries for creating the solid bird model. Within these geometries, the cylinder wih semi spherical ends was chosen as the bird geometry for this project, because the most similar geometry for the bird shape is cylinder wih semi spherical ends. Material specifications were generally chosen as similar to the water specifications with zero porosity. In order to simulate the bird strike analysis for the different locations on the canopy, it is essential to create a canopy model. In this project, it is mainly intended to investigate and compare the results of bird strike analyses with different velocities and in different locations (middle, top and corner) of two different canopies. The canopy geometry can also be investigated since analyses are performed for two different canopy geometry. The canopies for the active helicopters Gazelle SA341 and AS365 Dauphin were chosen. The 3D CAD drawings of these geometries were obtained. Afterwards, these canopies are modelled in LS-DYNA program. In the LS-DYNA solver, the analysis for the strike has been performed with the bird geometry, which is modelled with the SPH method and in the geometry of cylinder with hemi spherical ends, to the different locations of different canopies with different velocities. For the both canopies, bird strike analyses have been performed to the middle upper and corner regions with the velocities of 90 m/s, 100 m/s and 110 m/s. The results of these analyses were compared in terms of obtaining maximum displacement values and maximum von Mises stress values of canopies, internal and kinetic energy changes with time for both bird geometry and canopy geometries. The definitions can be given for these physical expressions. Von Mises stress is a value used to determine if a given material will yield or fracture. It is mostly used for ductile materials. The von Mises yield criterion states that if the von Mises stress of a material under load is equal or greater than the yield limit of the same material under simple tension, which is easy to determine experimentally, then the material will yield. Displacement is an object's change in position, only measuring from its starting position to the final position. Kinetic energy is the energy of motion, observable as the movement of an object, particle, or set of particles. Internal energy is defined as the energy associated with the random, disordered motion of molecules. It is separated in scale from the macroscopic ordered energy associated with moving objects; it refers to the invisible microscopic energy on the atomic and molecular scale. For the two different canopy geometries; according to the results of the the bird strike analysis to the similar regions of the canopies with the same velocity, it is seen that curved structures have more resistance to the bird strike event compared with less curved structures. Because the maximum displacement values for curved canopy are so much lower than flat one. Behind the other design parameters, designers should take attention to this point for the strike conditions. The other result for the bird strike analysis which is performed for the same canopy but for different regions is that the maximum displacement value is getting smaller while the impact region is getting closer to the edges of canopy. In other words, the maximum displacement value is most in the case for striking in the middle area of canopy. However, the maximum von Mises stress is higher for the strike analysis which is performed at the corner region of the canopies. The other existing factor in this project is performing bird strike analysis with different velocities for the same region of each canopy. In this case, while the velocity value is increasing, with the result of increasing energy, maximum displacement values and maximum von Mises stresses are increasing. At the beginning of the strike event, the bird model has its own velocity. This is the reason that only the bird model have kinetic energy in the first phase of strike. However, after the strike starts, this kinetic energy is transferring to the canopy model time by time as both kinetic energy and internal energy. The kinetic energy of bird model is getting smaller while most of missing energy is obtained by canopy geometry as canopy internal energy. Even it is smaller when compared to the internal energy of canopy, the kinetic energy of the canopy is also increasing while the kinetic energy of the bird model is decreasing. Meanwhile, the internal energy of the bird model is slightly increasing time by time. According to the all these bird strike analysis, because of the ductility (low failure strain and low elasticity module) of the polycarbonate material, which is used as the main material for the canopy models, high displacement values are obtain but there is no failure for the canopy model with the given velocities. These velocities are probable bird strike velocities for the helicopters. However, it is foreseen that the failure will occur in the higher velocities for the canopy geometries.