Bir uçak kanadının hücum kenarına kuş çarpmasının sayısal olarak modellenmesi ve analizi
Numerical modeling and analysis of bird strike on an air plane wing leading edge
Yazar: SİNAN TAN
Danışman: PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Nakliye uçakları = Transport aircrafts ; Savaş uçakları = Fighter aircrafts ; Tarım uçakları = Agricultural aircrafts ; Ticari uçaklar = Commercial aircrafts ; Uçak kanatları = Aircraft wings ; Yolcu uçakları = Passenger aircrafts ; Yüksek mertebeli sonlu elemanlar = Higher order finite elements

Özet:
Dünya üzerinde hava araçları ile kuşların havada çarpışmaları sonucunda maddi ve bazen de can kayıplı olarak birçok kaza meydana gelmektedir. Son yıllarda havacılık teknolojisinin ilerlemesiyle hava taşıtlarının hızlarının artması ve gürültü seviyelerinin azalması sebebiyle, kuşlar uçarken uçakların yaklaştığını çok geç fark etmektedirler. Uçakların tasarım gelişimlerinin yansıra kuşların doğal hayatlarındaki değişimlerden dolayı, kuş çarpması kaynaklı kazaların sayılarında artış görülmektedir. Ayrıca meydana gelen kazaların maliyetleri ve özellikle de can kayıplarına sebep olması nedeniyle, uçakların bu tür kazalara karşı artık daha dayanıklı olarak tasarlanması gerekmektedir. Uçakların tasarımları bu gibi çarpışma durumlarına karşı dayanıklı olarak tasarlanmasının yanı sıra bu kazaların oluşumunu engelleme çalışmaları diğer bir çözüm yolu olarak karşımıza çıkmaktadır. Her ne kadar yüzde yüz etkili bir çözüm yolu olmasa da, kuşların doğal hayatlarının kontrolü de kuş çarpması kaynaklı kazaları önlemede kullanılan yöntemler arasındadır. 
Havacılık sektörü, meydana gelen kazalar sonucunda 1990'lı yılların başından itibaren kuş çarpması sebebiyle meydana gelen kazaları detaylı olarak takip ederek, raporlamaya başlamıştır. Raporlar incelendiğinde uçakların bu gibi kazalara sıklıkla karıştığı görülmektedir. Raporlar sonucu oluşan veriler analiz edildiğinde uçağın ana elemanlarından jet motorları ve kanatlar en çok darbeye maruz kalan elemanlar olarak görülmektedir. Sonuç olarak uçak ana elemanlarından kanat ve motor; tasarım sürecinde kuş çarpma riski de göz önüne alınmaktadır. Uçak tasarımlarının, bu yönde gelişiminin yanında, bu tasarımların dünya genelinde uygulanan belirli yönetmelikler çerçevesinde, belirli standartlara sahip olması ve gerekli onaylarının alınması gerekmektedir. Bu onayların alınması için yapılan testlerde, kuş cinslerinin çeşitliliği ve uçak üzerinde çarpma meydana gelebilen elemanların çok olması test maliyetlerinin yüksek olmasına sebebiyet vermektedir. 
Yapılan testlerde parametrelerinin çokluğu bir kuş çarpması kazasının test ortamında simüle edilmesini zorlaştırmaktadır. Bu şartlar altında kuş çarpması problemini bilgisayar ortamına taşıyarak maliyet yükünden kurtulmanın yanı sıra, bu testler sırasında kullanılan canlıların varlıklarını sürdürmesi sağlanmaktadır. Problemin bilgisayar ortamına aktarılması sırasında, çarpışma elemanları olarak kuş ve uçak kanadı modellendikten sonra ortam değişkenlerinin gerçeğe uygun olarak belirlenmiştir. Özellikle çarpışma elemanlarından kuşun geometrisinin ve özelliklerinin seçimi, analiz sonuçlarının gerçeği yansıtması açısından önemlidir. Kuş elemanının seçimi ve simüle edilmesi üzerine dünya çapında araştırmalar yapılmış olup, ilgili makalelerden bu tez çalışma kapsamında yararlanılmıştır. Problemin elemanlarından bir tanesi olan uçak kanadı, bir insansız hava aracı kanat yapısını simüle etmektedir. Ayrıca ortam değişkenleri, insansız hava aracının uçuş şartları göz önüne alınarak belirlenmiştir. 
Tezin konusu olan bir uçak kanadının hücum kenarına kuş çarpmasının sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi için öncelikle, bu probleme en uygun analiz metodunu belirlemek gerekmektedir. Bunun için problemin simüle edilebileceği uygun sonlu elemanlar metotları ve daha önce yapılan çalışmalar incelenerek en uygun ve gerçeğe en yakın sonuçları veren yöntem seçilmelidir. Geçmiş çalışmalar ve ilgili makaleler incelendiğinde, kuş çarpması olayının incelenmesi için dört yöntemin kullanıldığı gözükmektedir. Bunlar; Lagrange metodu, Euler metodu, ALE ve gerçek şartlara en yakın sonuçları veren, SPH metodudur. Lagrange metodu genellikle katı cisimlerin analizinde kullanılan bir yöntem olup çözüm ağı katı cisim üzerinde sabittir. Euler metodu akışkan analizlerinde kullanılmaktadır ve çözüm ağı uzayda belli bir bölgeyi kapsamaktadır. ALE metodu akışkan-rijid cisim analizlerinde kullanılmakta olup, çözüm ağı uzayda bir bölgeyi sınırlasa da cisim ile birlikte hareket edebilme kabiliyeti vardır. SPH metodunda ise çözüm ağı kullanılmamaktadır, bunun yerine parçacıklar kullanılmaktadır. Bu sayede kuşun parçalanması simüle edilebilmektedir.
Kuş çarpmasının incelenmesinde kullanılan sonlu elemanlar yönteminin incelenmesinden sonra, analiz için seçilen SPH metodunun parametrelerinin doğruluğunun kontrol edilmesi için literatürdeki bir çalışma örnek alınmıştır. Ele alınan bu örnek model, uygun parametreler ile yeniden modellenerek aynı sonuçlara ulaşılmaya çalışılmıştır. Bu sayede SPH metodunun doğruluğu kanıtlanmıştır. Analiz için gerekli olan kuş modeli, kanat modeli ve ortam şartları belirlendikten sonra SPH metodu kullanılarak LS-DYNA yazılımı ile problem simüle edilmiştir. LS-DYNA yazılımında analiz yapılmadan önce ANSA analiz öncesi yazılımı ile analiz ortamı oluşturulmuştur ve analiz sonuçları da analiz sonrası yazılımı olan LS-PrePost ile incelenmiştir. LS-DYNA yazılımı ile elde edilen veriler düzenlenerek, analiz sonucunda örnek kanat parçası üzerinde oluşan gerilmeler ve malzeme yer değiştirmeleri detaylı olarak, resimleriyle birlikte gösterilmiştir. 
Bu çalışma kapsamında örnek bir uçak kanadına, hidrodinamik yapısal özelliklere sahip olarak kabul edilen bir kuş modeli çarptırılmıştır. LS-DYNA yazılımından elde edilen sonuçlar incelendiğinde örnek olarak ele alınan kanat üzerinde plastik deformasyon meydana geldiği görülmüştür.

Abstract:
As a result of aerial vehicles collisions with birds in the air, there are many accidents occur that cause high cost and sometimes losing of life. Birdstrikes on aircraft a major threat to human life and there is a need to devolop structures which have high resistance towards these structures.
According to the Federal Aviation Administration(FAA)'s Federal Aviation Regulation(FAR), European Aviation Safety Agency(EASA)'s Joint Aviation Requirements(JAR) and North Atlantic Treaty Organization(NATO)'s Standardization Agreement(STANAG) on damage tolerance and fatigue evaluation of structure, an airplane must be capable of successfully completing the flight during which likely structural damage might occur as a result of impact with a bird which is according to regulation, at cruise velocity at sea level or 0.85 cruise velocity at 8000 feet.
The aim of the research is to develop a methodology which can be utilized to certify an aircraft for birdstrike using computational techniques since the physical testing of birdstrike is expensive, time consuming, cumbersome and for sanitary purpose.  
In recent years, with the progress of aviation technology, the birds realize aircrafts approaching too late, due to decreasing noise levels in aircraft engine and increasing flight speed of airplanes. As well as aircraft, design development, due to changes of the birds' natural lives, there is an increase in the number of accidents because of bird strike. 
Furthermore, due to cause high cost and specially casualties, aircrafts need to design for resistant design of this type of accidents now. Aircraft designs, such as the design of collision-resistant states, as well as other work to prevent occurrence these accidents appears to be a solution. Although it is not one hundred percent effective solution, controlling the natural lives of bird methods that can be used to prevent bird strike accidents.
Because of accidents in the aviation industry is following the accidents in detail that occur due to a bird strike and started reporting from the beginning of the 1990s. When the reports are examined, aircrafts often involve in accidents like this, are observed. When the analysis of data as a result of the reports, the main elements of the aircraft; jet engines and wings are exposed to shock that the elements are seen as a very. 
As a result, the main elements of aircraft wings and engine, during the design process should be considered in the risk of bird collision. In addition aircraft design development in this direction, applied specific regulations in the context of these designs throughout the world, have specific standards and approvals required to be taken. On these tests for getting approvals, because of the variety of bird species, and many of the elements that can occur on the aircraft crash testing, causes to rise costs.
In tests, in the multiplicity of parameters make it difficult to simulate a test environment of bird strike accident. Under these circumstances, as well as getting rid of the cost load of the bird strike problem by moving to a computer, then animals used in these tests are provided to continue their existence. 
While transferring of the problem to the computer environment, after modelling bird and aircraft wing, as the elements of impact; environment variables determined as realistic values. Particularly elements of the collision, selection of bird geometry and properties is important for reflecting realistic results. Researches were carried on bird element selection and simulation around the world, articles was used on the scope of work of this thesis. Aircraft wing, which is one elements of the problem, an unmanned aerial vehicle wing structure is simulated. In addition, environment variables of analysis are set taking into account an unmanned aerial vehicle flight conditions.
A finite element analysis of bird strike on leading edge of air plane wing that is the subject of the this thesis, primarily to examine the finite element method, this problem should be to determine the most appropriate method of analysis. So then, it is needed examining the finite element methods of the problem can be simulated in the most suitable and most realistic by inspecting previous studies. When past studies and related articles are examined, four methods are seems to be used investigating the event of a bird strike. These are the Lagrangian method, the Eulerian method, the ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) and SPH method, which is given the most relevant results to actual conditions.
The Lagrangian method is often used on rigid body analysis, mesh is fixed on the rigid body. The Euler method is used fluid analysis and mesh covers a particular region in space. The ALE method is used for analysis of fluid-rigid body interaction problem. Although mesh covers a region in space, that has ability to move along with the body. Mesh is not used in SPH method; particles are used instead of mesh.
After examining finite element analysis method on analyzing bird strike, a study is taken an example by litterateur to control accuracy of SPH method's parameters that is taken for bird strike analysis. The model that is taken as a sample is re-simulated by suitable parameters for reaching to same results by the sample study. The results obtained from the simulation are compared with the data from the past study on literature, and the process is validated with a plate. Thus, SPH method's accuracy is proved. 
Typical bird shapes are used in numerical bird strike analyses include a number of primitive geometries, such as the right circular cylinder, hemi-spherical cylinder, sphere and ellipsoid. There are also some simplifying assumptions made regarding the modeling of the bird material. Yet, the open literature on the subject includes no comparative study to systematically investigate the effect of the projectile shape or bird model material on the accuracy of impact loads analyses. 
After determining bird model, wing model and environment conditions which are needed to analyzed, the bird strike problem is simulated with LS-DYNA according to SPH method, that is non linear finite element analysis code, in which the bird is modeled using the Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) technique. 
The detailed CAD geometry of the leading edge was carried over an unmanned aerial vehicle in SolidWorks 2013. Before analyzing the system with LS-DYNA, analyze environment was created with the ANSA v13.1.0 that is pre-processing software. Meshing, connections and material properties are then defined in the ANSA v13.1.0. The validated SPH bird model is impacted at the leading edge.
The parametric studies are carried out by designing the leading edge for different values of thickness for leading edge components. Then the SPH bird model is impacted at varying impact velocites and results are compared within. It is proposed that the results obtained from simulation can be utilized in the initial design stages as well as for certification of an aircraft for birdstrike requirements as per federal regulations. 
The results of the analysis has been studied with LS-PrePost 4.1 that is a post-processing software. The results including displacement, Von Mises stresses, forces, impulse, deformation and velocity are obtained from the simulation. 
In this final year project, a 0,9 kg homogenous bird model with a simplified geometrical shape is modeled using the Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) formulation. The reliability of the analysing model is validated by comparing the numerical result with experimental results of a real bird of similar mass impacting normally at an impact velocity of 138 m/s onto a flat rigid panel. Results are compared in terms of strain level at the centre of the impact. This is attributed to the assumptions made in the formulation of the numerical model. 
The modeling of bird strike using the Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) formulation is investigated by modeling impact on an elastic aluminum panel. The verified Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) model serves as a medium for comparison of  the numerical results. Analysis is made based on the obtained numerical results. However experimental results are not available to substantiate the conclusions made from the numerical results. 
Within this study, a bird, which is recognized as having the physical properties of the hydrodynamic model, was stroke to an unmanned aeral vehicle?s wing. According to the result from LS-DYNA software, there is not a plastic deformation on the sample wing structure.