Uçak yapılarında perçin optimizasyonu

Bu tez çalışmasında, optimizasyon yapılması amaçlanmıştır. Uçaklar, hava taşımacılığının en önemli unsurlarından birini oluşturmaktadır. Uçakların yapılarına bakıldığında gövde, kanatlar, motorlar, iniş takımları gibi bölümleri içerir. Uçakların yapısına bakıldığında gövde en büyük hacmi kapsamaktadır, bu nedenle o bölümde gerçekleşicek bir optimizasyon çalışmasının yeri çok büyük olacaktır. Burada gerçekleşen bir optimizasyon çalışmasının göstergesi tüm gövdeye yansıyacağından getirisi de daha fazla olucaktır. Bu çalışmayı kısaca özetlemek gerekirse söze şu şekilde başlanabilir. Bu çalışmada, uçak gövdesininden bir kanal kesiti sunulmuştur. Bu bağlamda bir kanal kesiti için perçin optimizasyonu analiz edilmiştir. Perçinler uçak yapılarında önemli bir rol oynarlar. Yükleri birbirlerine aktarma ve katmanlar arasında bağlantı sağlamak gibi şekillerde kullanılabilirler, bu nedenle perçinler hakkında bir sürü çalışma yapılmıştır. Perçinlerin kullanılması için bir çok sebep vardır bunlar perçinlerin ucuz bir yöntem olması, yüksek direçli olmaları ve esnek bir çözüm bulmaları sayılabilir. Airbus A380 uçağında yaklaşık 3 milyon perçin olduğu düşünüldüğü takdirde, burada gerçekleşen bir optimizasyon çalışmasının etkisinin ne kadar büyük olacağı anlaşılabilir. Bu optimizasyon çalışması İTÜ'nün lisansı kullanılarak ANSYS Workbench Academic Edition'da gerçekleştirilmiştir. Esinlenen problem Flabel'in Practical Practical Stress Analysis for Design Engineers adlı kitabındaki Connection Analysis kısmından alınmıştır. Kitaptaki çözüm bilgisayar programının çıktılarını kullanarak elle çözümle gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmadaki optimizasyon çalışmasında ise kitaptaki esinlenen problem öncelikli olarak modellenmiştir ardında değişik açılardan ele alınarak optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Perçinler, kesme kuvvetlerini daha kolay okuyabilmek adına ANSYS Workbench'te kiriş elemanları kullanılarak simule edilmiştir, kullanılan perçin çapı 3/16 inchtir. Kitapta incelenen perçin grubu 9 sağda 9 solda olmak üzere 18 tanedir, ancak simetri kullanılarak hesaplar 9 perçin üzerinden yapılmıştır, bu nedenle ANSYS'de de modellenen yapı 9 perçinden oluşmaktadır. Modelde verilen yükler X ve Y yönlerinde kuvvetler ve momenttir. Uygulama noktası olarak vertex seçilerek noktasal bir şekilde belirlenmiştir. Sonlu elemenlı model çözülmeye başlanmadan önce, meshin hassaslığı çalışması gerçekleştirilmiştir, bu çalışma mesh büyüklüğünün seçiminin eleman sayısına olan etkisine bağlı olarak yapılır. Amaç mesh büyüklüğünü bir noktadan başlatarak küçültmek bunu yaparken de amaç eleman sayısının başlangıçtaki eleman sayısını ikiye katlamaktır. Eleman sayısı başlangıçtaki eleman sayısının iki katını yakaladığı zaman analiz durdurulur. Burda farklı mesh büyüklüğünün sonuca etkisi bulunmaya çalışılır. Bu çalışmada mesh büyüklüğü 0.059 a kadar düşürülmüştür, burada eleman sayısı 0.060 dakinin iki katını geçtiği için durdurulmuştur. Bu farklı mesh büyüklüklerinde 9 numaralı perçinin üzerinden okunan kesme kuvveti karşılaştırma kriteri olarak seçilmiştir. Sonuçlara göre esinlenen problemle, modellenen yapı arasındaki fark %4 gibi bir farkla elde edilmiştir. Burdan sonlu eleman modelinin kullanılabilir olduğu yorumu çıkarılır, bir başka deyişle oluşturulan modelin el hesabına karşılaştırmasına oranla ne kadar benzerlik yakalandığından emin olunması hakkında fikir verir. Bu aşamadan sonra optimizasyon kısmına geçilmiştir. Optimizasyon çalışması bir kaç farklı açıdan ele alınmıştır, bunlar perçinlerin yer dağılımı, farklı malzemelerde perçin kullanımı, ve perçin sayılarının değiştirilmesidir. Optimizasyon çalışmasına geçmeden önce, el hesabı ile çözüm gerçekleştirilmiştir, ardından ANSYS'de farklı parametreler kullanılarak gövde çerçevesinde optimizasyon seçenekleri bulunması amaçlanmıştır. Farklı yeni tasarım seçenekleri örneğin perçinlerin yeniden konumlandırılması bu çalışmanın ilk koludur. Burada 4 farklı yeni tasarım incelenmiştir. Bu 4 tasarım perçinlerin düşey ve yatak yönde belli ölçülerde yaklaştırılıp uzaklaştıralarak elde edilmiştir. Burdan çıkan kesme kuvvetleri karşılaştırılıp ona bağlı olarak emniyet katsayıları hesapnalmıştır. Perçinlerin seçilen alanda daha yakınlaştıkça daha fazla emniyet katsayısı verdiği gözlemlenmiştir. İkinci optimizasyon ise farklı malzemelerde perçinlerin kullanılması yani kesme dayanımlarının ne kadar önemli olduğunu gösteren bir kısım olmuştur. Başlangıç tasarımı aluminyum alaşımdan perçinler kullanırken, optimizasyon seçenekleri olarak 3 farklı malzeme daha kullanılmıştır bunlar arasında Monel, Ti45-Cb ve paslanmaz çelik bulunmaktadır. Burada görülen sonuç kesme dayanımı daha fazla olan malzemeler kullandıkça emniyet katsayısının arttığıdır. Perçinler üzerindeki kuvvetler dikkate alınmayacak kadar küçük oranda değişim göstermiştir, çünkü kullanılan formüllerden de anlaşılcağı üzere kuvvetler sadece verilen değerlerin perçinler üzerine dağıtılması ile hesaplanmakta ve malzeme özellikleri bu aşamada dahil olmamaktadır. Üçüncü optimizasyon ise amaçlanan kullanılan perçin sayısının düşürelerek daha ekonomik bir çözüm oluşturmaya çalışmaktır. Bu seçenek yapılırken 8, 6 ve 4 sayıda perçin kullanılarak incelenmiştir, 6 adet rivetin kullanıldığı durumda perçinlerin yatak ağırlıklı ve düşey ağırlıklı olmak üzere iki farklı konumlandırılması incelenmiştir. Özetle daha az sayıda perçin kullanılarak analizler çözdürülmüş ve görülmüştür ki başlangıç tasarımında kullanılan aluminyum alaşımı kullanılmaya devam ettikçe, perçin sayısının azalması, gerekli olan emniyet kat sayısı gerekliliğini yerine getirmesini engellemektedir. Yani, aluminyum alaşımdan yapılmış olan perçin kullanmaya devam edildikçe, perçin sayısını 9 perçinden daha aşağıda tutmak mümkün olmamaktadır. Ancak, perçin malzemesi kesme dayanımı aluminyum alaşımdan daha yüksek olan malzeme kullanıldığında daha az sayıda perçinle gerekliliği yerine getirebilmektedir. 6 adet perçinin kullanıldığı durumda ise yine başlangıç tasarımı olan aluminyum perçin kullanıldığı takdirde bazı perçinlerin emniyet katsayıları negatif değerlerde gözlemlenmiştir. Havacılık gibi emniyetin çok önemli olduğu bir sektörde tabi ki de bu sayılar kabul edilemez ölçüdedir. Bu nedenle 6 perçinli yapıda birinci opsiyon olarak isimlendirilen tasarım için farklı rivet malzemeleri denenmeye başlanmıştır. Yine burada da görülmüştür ki kesme dayanımı fazla olan perçin malzemesi kullanıldığı takdirde emniyet katsayıları kabul edilebilir oranlara çıkmaktadır. 4 adet perçinin kullanıldığı tasarımda ise emniyet katsayıları negatif çıkmıştır, 4 adet perçin kullanılması çok gerçekçi olmadığı düşünüldüğünden bu optimizasyon seçeneğinde farklı malzemeler kullanılarak analiz yaptırılmamıştır. Farklı malzemede perçinler kullanılırken bazı varsayımlar yapılmıştır. Örneğin Monel malzemesi Nikel-Bakır alaşımıdır ancak ANSYS Workbench in kütüphanesinden seçilen malzeme bakır alaşım seçilerek yapılmıştır. Burada yapılan varsayım Monel için alınan malzeme özellikleri ile ANSYS Workbench kütüphanesindeki alaşımın aynı özellikleri gösterdiğidir. Alaşımlar içerisindeki malzeme oranlarına göre malzeme özelliklerinde küçük farklılılar gösterebilir. Ti-45Cb malzemesi ise ANSYS Workbench kütüphanesindeki Titanyum alaşımı malzemesini direkt kullanılarak analizlerde kullanılmıştır. Kesme dayanımı ise Ti-45Cb malzemesinin özellikleri kullanılarak hesaplanmıştır. A286 ise paslanmaz çelik olarak geçmektedir, bu da ANSYS Workbench kütüphanesindeki paslanmaz çelik malzemesinin seçilmesi ile analizler gerçekleştirilmiştir. Havacılık sektöründe öncelikle emniyetli uçuş ardından da ekonomik çözümler önemli bir etken oluşturmaktadır. Bu çalışma ile amaç emniyeti kaybetmeden ekonomik olarak nasıl daha iyi bir sonuç elde edilebilir onu göstermek amaçlanmaktadır. Unutulmamalıdır ki bu tarz çalışmalar bir trade-off dur, bazı parametreler iyileştirilmeye çalışılırken bazılarında kayıplar yaşanabilmektedir. Mesela daha fazla emniyetli bir malzeme kullanılması bize daha fazla ağırlık katabilir, burada isteklerin ne olduğu belirlenmeli ve amaca en yakın ideal çözüm oluşturulmalıdır. Bu optimizasyon çalışması farklı yönleri ele alarak, perçin ve uçak yapılarıyla ilgilenen mühendisler ve araştırmacılar için faydalı sonuçlar vermeyi amaçlamaktadır.