Cıvatalı flanş bağlantıları olan montajlı rotor modüllerindeçoklu vekil modeller kullanılarak yapısal bütünlüğündoğrulanması

Cıvatalı flanş bağlantı yapıları, uçak motorlarının montajında kritik bir rol oynar. Bu yapılar, motorun sabit ve hareketli parçalarını bir araya getirerek, motorun güvenli ve etkili bir şekilde çalışmasını sağlar. Tasarım sürecinin ilk aşamalarında, flanşların boyutları, cıvataların sayısı ve boyutları, ve bunların yerleşim düzeni gibi çeşitli tasarım parametreleri göz önünde bulundurulur. Bu parametrelerin seçimi, motorun yapısal bütünlüğünü sağlayacak şekilde yapılır. Yapısal bütünlüğü garantilemek ve en uygun tasarımı belirlemek amacıyla, sonlu elemanlar analizi kullanılarak kapsamlı simülasyonlar yapılır. Motorun çalışması sırasında, montajlı rotor grubu çeşitli ısıl ve mekanik yüklere maruz kalır. Bu yüklerin her biri, rotor grubunun yapısal bütünlüğünü etkileyebilir. Dolayısıyla, her bir yükleme durumunda rotor grubunun bu bütünlük kriterlerini karşıladığından emin olunması gerekir. Bu kriterler, gerilmeler, cıvataların ön yükleme kuvvetleri ve temas noktalarının durumu gibi ölçütleri içerir. Tasarım süreci, çok sayıda değişkenin göz önünde bulundurulması gerektiğinden, karmaşık ve zaman alıcı olabilir. Bu nedenle, tasarım sürecinin etkinliğini artırmak ve yeni tasarım yaklaşımları geliştirmek için çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Bu çalışmada, NASA'nın E3 Yüksek Basınçlı Türbin Test Donanımı için yapılan detay tasarım raporunda açıklanan gibi, cıvatalı flanş bağlantı tasarımının optimizasyonu için çoklu vekil modelleme yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem, tasarım sürecini hızlandırmanın yanı sıra, daha doğru ve etkili sonuçlar elde etmeyi amaçlar. Çalışma, E3 türbin modülü benzeri bir rotor grubu üzerinde yapılmış ve her bir flanş için ayrı sonlu elemanlar modelleri geliştirilmiştir. Tasarım parametreleri, vekil modeller için girdi olarak kullanılmış ve bu modeller, Latin Hiperküp Örnekleme (LHÖ) ve Genetik Birleştirme Yanıt Yüzeyi (GARS) metotları ile oluşturulmuştur. Optimizasyon için Çok Amaçlı Genetik Algoritma (MOGA) kullanılarak optimum tasarımlar elde edilmiştir. Elde edilen tasarımlar, rotor modülüne beslenmiş ve rotor modülünün bir bütün olarak sonlu elemanlar modeli kurulmuştur. Rotor modülünün flanş bölgeleri için elde edilen gerilme ve tepki kuvveti değerleri %0.1 mertebesinde bir fark ile, vekil modellerin optimizasyonundan alınan sonuçlar ile örtüşmektedir. Optimize edilen birinci flanş bölgesinde başlangıç durumuna göre kütle olarak %3.27 seviyesinde artış olsa da, başlangıç durumundaki flanş bölgesi konfigürasyonunda tork transferinin eksiksiz sağlanabilmesi için beşinci yükleme adımında istenen minimum flanş tepki kuvveti sağlanamamaktadır. Gerilmeler ise başlangıç durumuna göre birinci flanşta bulunan üç adet delikte sırasıyla %5.10, %3.03, ve %1.75 seviyelerinde iyileşmeler sağlanmıştır. İkinci flanş bölgesi için %2.97 seviyesinde kütle artışı ve ikinci flanşta ortada delik bölgesinde ise gerilmelerde %1.94 seviyesinde kötüleşme olmuştur. İkinci flanş bölgesinin başlangıç konfigürasyonu da benzer şekilde gereken flanş tepki kuvvetini verememektedir. Üçüncü flanş bölgesi için ise ilgili tasarım raporunda tanımlanan kriterler daha esnek olduğu için optimizasyon çalışmaları sonucunda kütlede %13.66 seviyesinde hafifleme, flanş deliklerinde gerilmelerde ise sırasıyla %15.60, %5.12, ve %4.89 seviyesinde iyileşmeler gözlemlenmiştir. Sonuçlar, montajlı rotor gruplarının flanşlı bağlantı tasarımlarında çoklu vekil modellerin kullanımı sayesinde doğruluk seviyesini kaybetmeden kısa sürelerde hassasiyet analizlerinin yapılabilmesinin ve yapısal bütünlük kriterlerini sağlayan optimum tasarımların elde edilmesinin mümkün olduğunu göstermektedir.