Grid Takviyeli İleri Kompozit Yapıların Uçak Gövdesi İçin  sonlu Elemanlar Analizi, Optimum Tasarımı Ve Uygun Maliyetli Üretimi

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2014-08-27
Yazarlar
Coşkun, Onur
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science And Technology
Özet
Uçak ve uzay yapıları için geliştirilen ve içinde bulunduğumuz zaman dilimine ile paralel teknolojik gelişmeler ile uygulanabilen üretim yöntemleri her geçen gün daha da ilerlemektedir. Bu ilerleyişin ve artan araştırmaların doğal bir sonucu olarak kompozit malzemeler ve bunlardan oluşturulan yapılar metal, alüminyum gibi malzemelerin yerini almaktadır. Grid Takviyeli İleri Kompozit yapılar ise bu malzemelerle geliştirilmiş farklı tasarım ve üretim yöntemleri le ortaya çıkmıştır. Genel anlamı ile grid takviye, boyuna kirişler halinde ortogonal veya çeşitli açılarla yerleştirilmiş yapılara denmektedir. Yapılarda bu tür bir kompozit yapının kullanılmasının başlıca nedenleri yüksek sertlik-ağırlık oranı olması, eğilme rijitliğini artırarak bölgesel fluter, titreşim ve burkulmayı önlemesi, yapısal eklemelere ve yapısal olmayan öğelere uygun olması. Grid Takviyeli İleri Kompozit yapılar tasarım ve üretim açısından birçok çeşitliliğe olanak vermektedir. Bu çeşitlilik kirişlerin açıklığı, düğüm noktası kaçıklığı, kiriş açısı, kiriş sayısı, yüzey plakasının kalınlığı, vs. ile sağlanabilmektedir. Bu tip karmaşık değişkenlere sahip olan bu sistem şu an için analitik olarak tam çözülememektedir. Bu nedenle sonlu elemanlar analiz yöntemleri ile modellenip detaylı bir analize ihtiyaç duyulmaktadır.  Bu ihtiyacın da ana nedeni lokal gerilme dağılımlarının ve lokal kırılma ve kopmaların incelenebilmesidir. Grid Takviyeli İleri Kompozit yapılar çeşitli kırılma tiplerine sahiptir. Bunlar, düzlem içi yükler ve düzlem dışı kayma gerilmelerine bağlı olarak beşe ayrılabilirler; tüm panelin kararsızlığına yol açan burkulma davranışı, lokal yüzey burkulması, lokal kiriş burkulması, malzeme kopması ve tabakalar arası kayma gerilmesinden kaynaklanan tabakalar arası kayma davranışıdır. Yapısal tasarım açısından kırılma davranışının ve gerilme dağılımlarının Grıd Takviyeli İleri Kompozit malzemeler için bilinmesi önemli bir parametredir. Bu önemin nedeni, kritik noktalardaki beş farklı kırılma mekanizması tasarımda olduğu kadar aynı zamanda onaylama ve sertifikasyon süreçleri içinde göz önünde bulundurulması gerekliliğidir. Grid Takviyeli İleri Kompozit yapı 2 boyutlu sonlu elamanlar yöntemi kullanılarak dörtgen elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Bu elemanlar MSC Patran/Msc Nastran adlı ticari program içerisinde tanımlanmış olan eleman tipleri kullanılarak yapılmıştır. Yapılan modellemede klasik yöntemlerin aksine kirişlerin olduğu yerlerde çift eleman kullanılmış ve bu şekilde gerekli olan katılık 2 boyutlu olarak tanımlanabilmiştir. Bu tasarım tüm boyutlandırmalar tanımlandıktan sonra yapılabilmektedir, başka bir deyişle sadece kiriş ve yüzey kalınlığı program içinden girilen değerler ile değiştirilebilmektedir. Bunun haricinde yapılması gereken boyut değişimleri MSC. Patran PCL fonksiyonları kullanılarak yapılmıştır. MSC. Patran PCL fonksiyonun en önemli işlevi makro gibi çalışabilmesi ve bu sayede her defasında belirli değerlere kadar olan kiriş açıklığı değişimleri için sonlu elemanlar örgüsünü Mathematica’da yazılan kod sayesinde yeniden yaratabilmesidir. Grid Takviyeli İleri Kompozit yapı için 3 boyutlu sonlu elamanlar yöntemi kullanılarak da modellenmiştir. Bu modelleme ile tabakalar arası kayma gerilmesinden kaynaklanan tabakalar arası kayma davranışı olup olmadığı karbon fiber destekli plakalarda 50 MPa gerilme değeri ile karşılaştırılıp karar verilmektedir. Bu yöntemdeki sınır koşulları 2 boyutlu modelde kritik olduğuna kara verilen bölgeler için eşdeğer eleman genişliğinde yapılan 3 boyutlu modele 2 boyutlu analiz sonuçlarından gelen öteleme ve dönme hareketinin uygun düğüm noktalarına uygulanması ile tanımlamıştır. Grid Takviyeli İleri Kompozit yapı için 2 boyutlu sonlu elamanlar yöntemi kullanılarak gerilme ve burkulma analizleri yapılmıştır. Bu analizler için için Nastran SOL101 ve SOL105 kütüphaneleri kullanılmıştır. Yapılan modelleme tekniğiyle birlikte kirişlerin ana yük taşıyan fiber doğrultusu boyunca gerilme değimleri gözlenebilmiş ve tasarım hakkında genel bir gözlem yapılabilmiştir. Yüzey üzerindeki gerilme değimleri ile ona bağlı olan kirişlerdeki gerilmeler karşılaştırılmış ve mantıklı bir fizik davranışı elde edilmiştir. Burkulma analizlerinde ise yapı farklı yükleme koşullarında incelenip, nihayetinde en kritik olan yükleme koşulu için 10 farklı burkulma modu incelenmiştir. Bu inceleme sonucunda gerçekleşen burkulmaların sadece lokal yüzey hücre burkulmaları olduğu gözlemlenmiştir. Nastran’ın hesapladığı özdeğer vektörü 1. mod için 1 değerine yaklaşıktır. Bu da demek oluyor ki bu yükleme koşulu 2 için ilk mod aynı zamanda kırılma gerilmesinin de oluştuğu yük durumuna karşılık gelmektedir.  Grid Takviyeli İleri Kompozit yapı için 2 boyutlu sonlu elamanlar yöntemi kullanılarak optimizasyon analizleri de yapılmıştır. Bu analiz için Nastran SOL200 kütüphanesi kullanılmıştır. Tasarım kısıtları olarak malzeme kırılması, lokal kiriş burkulması ve Euler burkulması referans olarak alınmıştır. Yapılan optimizasyon çalışması Nastran’ın kendi içerisindeki algoritmaları kullanması ile gerçekleştirmiştir. Burada “hard convergence” denilen bir yakınsama metodu ile denklemler iterasyonlarla çözülmektedir. Her döngüde elde edilen yakınsaklık değerleri ile tüm sonlu elemanlar modeli yeniden çözülmekte ve en son iterasyona kadar bu süreç devam etmektedir. Yapılan bu çalışma sonucunda, verilen yükleme altında 2 boyutlu gerilme analizi için kullanılan model kullanılmış olup, optimum boyutlar elde edilmiş ve bunların yukarıda anlatıldığı gibi ayrıntılı analizleri yapılmıştır. Grid Takviyeli İleri Kompozit yapı için üretim yöntemi de geliştirilmiş olup başarılı bir şekilde uygulanmıştır. Bu üretim yöntemi daha çok literatür üzerinden yapılan çalışmalar üzerinden yola çıkılarak geliştirilmiştir. Vakum destekli reçine infüzyonu ile yapılan üretim silikon kalıplar içerisinde gerçekleştirilmiştir. Kullanılan silikon kalıplar belirli noktalarından delikler açılarak reçine ile beslenmiştir. Açılan bu delikler direkt olarak kirişlerin yatırıldığı boşlukların olduğu kısımlara açılmıştır. Gösterge basını 55 mbar olarak ayarlanıp reçinenin kurulan düzenek içinde ilerlemesi sağlanmıştır. Yüzeyde ve kirişlerin içinde ilerleyen reçine kalıbın bittiği noktalarda dışarı çıkmaması için yarı geçirgen bir zar ile örtülmüştür. Bu zar hava akışını sağlamakla beraber reçine gibi sıvı bir maddenin geçişine izin vermemekte ve bu şekilde reçine içerde kalmakta ve bütün fiberler boyunca bir dağılım gösterip en kolay bulduğu yoldan dışarı kaçamamaktadır. İnfüzyon işlemi yapıldıktan sonra malzeme düzeneği aynı vakum altında fırınlanmakta ve 5 saat sonra çıkartılıp silikon kalıptan çıkarılmaktadır. Bu yöntem ilk olarak tek hücre yapısı için denenmiş olur daha sonra 2*2 hücre için denenmiş ve elle yatırma işlemi nedeniyle daha fazla hücre sayısı için otomasyon yöntemlerin kullanılmasına karar verilmiştir. Bu başarılı üretim sonuçlarından sonra yapı makro boyutlarda çekim yapan bir kamera ile incelenmiş ve kuru veya fiber çekme kuvvetinin kaybı ile oluşmuş üretimden gelen hatalar tespit edilmiştir. Ayrıca reçinenin düğüm noktalarında fiber hacminin artması sonucu nasıl dağıldığı gözlemlenmiş ve literatür üzerindeki çalışmalarla kıyaslanmıştır.
Structural concepts being used for aerospace vehicles are searching for the most efficient ways by pushing the limits of their current time. In general, the meaning of stiffening imply that longitudinal stringers and frames or ribs are placed orthogonal or by some angle to the stringers. The main purposes of this application for structures are high stiffness to weight ratio, increase of bending stiffness preventing from local flutter, vibration and buckling, suitable for structural attachments and non-structural items.  Advanced Grid Stiffened (AGS) structures possesses wide variety of possibilities to design and manufacture stiffeners with different spacing, nodal offset, stiffener angle, number of stiffener, thickness of the skin, etc. AGS structures, which have complex component geometries, require the use of finite element analysis techniques for detailed structural analysis. Analytical methods cannot predict the local stress distributions and local failure types. Failure types of composite AGS structures under in-plane loads and under the effect of out of plane shear loads are categorized as five dominant failure modes. These are; instability of total panel, which is referred to as global buckling, local skin buckling, local buckling or crippling of the stiffeners, material failure and delamination caused by inter-laminar shear stresses. Understanding the failure behavior and stress distributions on the composite AGS panel under inplane loading and the effect of out of plane shear loads is important to structural design. Thus, all five different failure modes and stresses at critical locations like nodes of AGS panel are considered in the design and need to be considered in validation and certification phases. AGS panel is modeled and analyzed using 2D quadrilateral elements using MSC Patran/MSC Nastran. Stress distributions along the stiffeners and the skin can be separately taken from their element centroids and different buckling modes of the AGS panel can be observed using SOL105. MSC Patran PCL functions are used to change the stiffener spacing. An optimization cycle is set-up using MSC Nastran SOL200 solver, which takes into account stiffener crippling and material failure as design constraints. The inter-laminar shear stresses along the height of the stiffener and at the skin-stiffener interface section is taken from local 3D model of highly stressed regions.  The decision is made for the optimized panel under mixed loading, which is shear-bi-axial compression respectively 175 N/mm and 60 N/mm -150N/mm. According to optimization results, stiffener height is 21.377 mm, stiffener spacing is 205.8 mm. The manufacturing of the AGS panel, which is laborious with any technique done in previous studies, is accomplished successfully by using Vacuum Assisted Resin Transfer Molding like technique. The integral manufacturing of grids and skin using resin infusion provides low-cost manufacturing of AGS panels. In this process, pattern of the grids are printed using 3D printers and silicon rubber, which takes the shape of printings, which are used to make mold, then fibers are laid into the grooves. After laying all the fibers, which can reach 50% percent fiber fraction just by hand process, skin is put on the side where fibers are ending. After resin infusion, composite AGS panel is cured at elevated temperature in the oven.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2014
Anahtar kelimeler
Grid takviyeli ileri kompozit ; İleri üretim teknolojisi ; Kalıp üretimi ; Uçak gövdesi ; Tabakalı kompozit levhalar ; Tabakalı kompozitler ; Optimizasyon ; Malzeme üretimi ; Yapısal analiz ; Grid takviyeli ileri kompozit ; Reçine infüzyon ; Karbon fiber takviyeli polimer ; Sonlu Elemanlar, Advanced production technology ; Mold production ; Fuselage ; Laminated composite plates ; Structural analysis ; Material production ; Optimization ; Laminated composites ; Advanced grid stiffened composite ; Finite elements ; Resin infusion ; Carbon fiber reinforced polymer
Alıntı