BİR JET EĞİTİM UÇAĞI KOKPİTİNİN YAPISAL ANALİZLERİ

Transkript

1 BİR JET EĞİTİM UÇAĞI KOKPİTİNİN YAPISAL ANALİZLERİ Muhittin Nami ALTUĞ (a), Melin ŞAHİN (b) (a) TUSAŞ, Türk Havacılık ve Uzay Sanayii A.Ş., 06980, Ankara, (b) Y. Doç. Dr. ODTÜ, Havacılık ve Uzay Müh. Böl., 06531, Ankara, ÖZET Bu çalışmada, bir jet eğitim uçağı kokpitinin MSC/PATRAN ve MSC/NASTRAN ticari sonlu elemanlar yazılımları kullanılarak modellenmesi, kokpite ait bu sonlu elemanlar modelinin yapısal analizleri ve yer basınçlandırma test sonuçları ile korelasyonu çalışmaları anlatılmaktadır. Söz konusu yer basınçlandırma testleri TUSAŞ tesislerinde gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Yapısal Analiz, Jet Eğitim Uçağı, Kokpit, Elemanlar Model ve Analizi, Deneysel Korelasyon Sonlu ABSTRACT This study presents the structural analysis of a cockpit of a jet trainer type aircraft and the correlation studies performed by using ground pressurisation test results. In the study, cockpit structure is modelled and analyzed by using commercial finite element software MSC/PATRAN and MSC/NASTRAN and the ground pressurisation tests were carried out in TUSAŞ facilities. Keywords: Structural Analysis, Jet Trainer Aircraft, Cockpit, Finite Element Modelling and Analysis, Experimental Correlation 1. GİRİS Yeni nesil jet eğitim uçakları için yüksek olan satın alma ve işletme maliyetleri, birçok ülke için eski uçakların modernizasyonunu kaçınılmaz hale getirmektedir. Jet eğitim uçakları için modernizasyon programları genel olarak aviyonik sistem ve yapısal modernizasyon olarak iki ana dalda yürütülmektedir. Aviyonik sistemlerin uçağa olan montajları genellikle destek yapılarla gerçekleştirilmektedir ve bu destek yapılar kimi zaman uçağın sahip

2 olduğu yük yollarını değiştirmektedir. Buna ek olarak, eski uçakların yapılarında oluşan yaşlanma problemleri, ilerleyen yıllarda uçağın emniyeti açısından tehlikeli bir duruma neden olmaktadır. Yapısal modernizasyon, uçağın ömrünü uzatmak için en ekonomik çözüm olarak kendini göstermektedir. Özellikle uçağın üreticisi olmayan kullanıcı ülkelerin yapısal modifikasyon yapabilmeleri için, en başta, uçağın yapısal parçaları üzerinde bulunan yük yolları bilgisine sahip olması gerekmektedir. Bu çalışmada, MSC/PATRAN ve MSC/NASTRAN [1] ticari sonlu elemanlar yazılımları kullanılarak bütünleşik kokpit yapısı modellenmiş ve karmaşık bir yük türü olan kabin basıncı yükü altında kokpit modelinin yapısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Sonra, kokpite ait bu sonlu elemanlar modeli yer basınçlandırma test verileri incelenerek geliştirilmiş ve sonlu elemanlar analizleri ile test sonuçları arasında iyi bir korelasyon sağlanmasıyla da model son halini almıştır. Söz konusu testler TUSAŞ tesislerinde gerçekleştirilmiştir. 2. KOKPİTİN SONLU ELEMANLAR MODELİ VE ANALİZİ Tipik bir jet eğitim uçağında olduğu şekilde,yapısal modelde, öğrenci için ön ve öğretmen için arka olmak üzere iki adet kokpit bulunmaktadır. Kokpitin sağ ve sol tarafında bulunan yapısal parçalar geometrik ve yapısal olarak simetriktir. Toplamda 146 adet yapısal parça MSC/PATRAN ve MSC/NASTRAN paket programları kullanılarak modellenmiştir. Kokpiti oluşturan yapısal parçalar Şekil 1 de gösterilmiştir. Parçaların yer bilgisini gösteren istasyon numaraları çerçeve (frame) ve bulkhead (kaburga) bölgeleri referans alınarak verilmiş ve numaralandırma Şekil 2 de gösterilmiştir. Kokpitte modellenen parçalar Aluminum malzemeden üretilmişlerdir. Şekil 1. Kokpit yapısal parçaları

3 Şekil 2. Kokpit istasyon numaraları Çalışmada kanopiler, kanopi üst lonjeron bağlantı bölgelerinde bulunan kanopi kilitleme mekanizmasının direngenlik bilgisi olmadığından modellenmemiş, bunun yerine kanopiler üzerine gelen kabin basıncının üst lonjeronlar üzerinde oluşturduğu yükler üretici firmadan sağlanmıştır. Kokpitte bulunan rüzgarlığın (windshield) ise saydam olan parçası, oluşturulduğu malzemenin bilgisi olmadığı için modellenmemiş, rüzgarlık üzerine gelen kabin basıncının üst lonjeronlarda oluşturduğu yükler çalışmada ihmal edilmiştir. Ayrıca kanopileri açma ve kapatmaya yarayan kanopi sürücü şaft ve kanopi destek fitingleri (canopy support fittings) korelasyon çalışmasına çok büyük bir katkı sağlamayacağı ve analiz süresini daha kısa tutma düşüncesiyle modellenmemiştir. Kokpitte bulunan ana yapıların sonlu elemanlar modeli "Global FEM" [2] yaklaşımıyla oluşturulmuştur. Büyük elemanlar (coarse mesh) kullanılarak elde edilen modelde ana yapı bağlantı bölgelerinde bağlayıcılar (fasteners) modellenmemiş ancak bazı yatay yapıların ana yapılara olan bağlantı bölgelerinde bağlayıcılar, rijit elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Modelde bulunan her parçanın uçak üzerindeki fonksiyonu göz önünde bulundurularak, paneller iki boyutlu (shell) elemanlarla, flanş (flange), kep (cap) ve güçlendiriciler (stiffeners) bir boyutlu (bar) elemanlarla modellenmiştir. Karmaşık geometriye sahip parçalar içinse üç boyutlu (solid) elemanlar kullanılmıştır. Lonjeron boşaltmaları (cut-outs) hariç modelde boşaltmalar modellenmemiştir. Oluşturulan sonlu elemanlar modeli Şekil 3 de gösterilmiştir. Kokpit için oluşturulan sonlu elemanlar modeli MSC/NASTRAN doğrusal (linear) statik analiz algoritması kullanılarak analiz edilmiştir. Analizleri gerçekleştirmek için kokpitin iç basınca maruz kalan bölgelerine 5 [Psi] değerinde bir basınç uygulanmıştır (Şekil 4). Model, arka kokpitin sonlandığı bölgede (B4) üst ve alt lonjeronlar ve üst raftan (upper deck) basit mesnetleştirilmiş (simply supported) şeklinde sınırlandırılmıştır. Modele atanan sınır koşulu Şekil 5 de gösterilmiştir. Şekil 5 de belirtilen 1,2 ve 3, sırasıyla, sınırlandırılan X,Y ve Z eksenlerindeki çizgisel (translational) serbestlik derecelerini (degree of freedom) temsil etmektedir.

4 Şekil 3. Kokpit sonlu elemanlar modeli Şekil 4. Sonlu elemanlar modeline uygulanan yük

5 Şekil 5. Sınır Koşulu Sonlu elemanlar analizi sonuçları, yer basınçlandırma testinde ölçümü yapılan noktalar baz alınarak, test sonuçları sunulduktan sonra değerlendirilmiştir. 3. YER BASINÇLANDIRMA TESTİ Yer basınçlandırma testi, uçak yerdeyken kokpit bölgesine 5 [Psi] değerinde bir basınç verilmesiyle gerçekleştirilmiştir. Kokpit içerisine gerinim (strain) ve basınç değerlerini ölçmek için yerleştirilen sensörlerden alınan veriler once veri kayıt sistemine oradan da bir bilgisayara aktarılmıştır. Sensörlerden elde edilen verilerin tekrarlanabilir olduğunu ispat etmek için, basınçlandırma 0 [Psi] dan 5 [Psi] a kadar arttırılmış, daha sonra tekrar 0 [Psi] değerine inilmiş ve bu işlem iki defa tekrar edilmiştir. Çalışmada gerinim değerlerini ölçmek için rozet (rosette) ve eksenel olmak üzere iki tip gerinim pulu (strain gauge) kullanılmıştır. Örnek sensör enstalasyonları Şekil 6 da gösterilmiştir. Test için toplamda 34 adet eksenel, 3 adet rozet tipi gerinim ölçer kullanılmış olup, ön ve arka kokpitte birer adet basınç sensörü kullanılmıştır.

6 Şekil 6. Sensör enstalasyonları 3. SONLU ELEMANLAR ANALİZİ VE TEST SONUÇLARININ KORELASYONU ÇALIŞMASI Yer basınçlandırma testinde 5 [Psi] kabin basıncı altında ölçümü alınan noktalarla sonlu elemanlar analizi sonucunda aynı noktalar için hesaplanan gerilme (stress) sonuçlarının örnek karşılaştırılması lonjeron iç flanş (longeron inner flange) ve çerçeve (frame)-f3 için sırasıyla Şekil 7 ve Şekil 8 de gösterilmiştir. Şekillerde lonjeron iç flanş gerilme dağılımı uçak ekseni boyunca (X-ekseni), çerçeve iç kep (frame inner cap) gerilme dağılımı ise çerçeve yüksekliği (Z-ekseni) boyunca gösterilmiştir. Şekil 7. Uçak ekseni boyunca olan lonjeron iç flanş gerilme dağılımı

7 Şekil 8. Çerçeve yüksekliği boyunca olan çerçeve-f3 iç kep gerilme dağılımı Test sonuçları ile karşılaştırıldığında, incelelenen tüm noktalarda hesaplanan gerilme değerleri belirgin bir tutarlılık göstermektedir. Ancak bazı noktalarda daha iyi bir korelasyon sağlanması açısından sonlu elemanlar modeli üzerinde bir takım güncellemeler yapılması ihtiyacı doğmuştur. Sonlu elemanlar modeli üzerinde bulunan bazı yatay destek yapılarının (lateral support structures) modellemeleri detaylandırılmış ve çalışmanın başında modele dahil edilmeyen kanopi destek fitingleri ve kanopi sürücü şaftı modele dahil edilmiştir. Yapılan bu güncellemelerden sonra sonlu elemanlar analiziyle elde edilen güncellenmiş gerilme değerleri ile daha once elde edilen gerilme değerleri test sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve örnek karşılaştırmalar lonjeron iç flanş ve çerçeve-f3 için sırasıyla Şekil 9 ve Şekil 10 da gösterilmiştir. Şekil 9. Güncellenmiş lonjeron iç flanş gerilme dağılımı

8 Şekil 10. Güncellenmiş çerçeve- F3 iç kep gerilme dağılımı Güncellemelerden sonra incelenen tüm noktalarda belirgin bir korelasyon sağlanmış ve kokpit sonlu elemanlar modeli bu şekilde son halini almıştır. 5. SONUÇ Kokpitin sonlu elemanlar modeli, modelde bulunan her parçanın fonksiyonu göz önünde bulundurularak modellenmiştir. Oluşturulan bu modele sınır koşulu atanmış ve kabin basıncına maruz kalan yüzeylerden modele 5 [Psi] değerinde bir basınç yükü uygulanmıştır. Sonlu elemanlar modelini doğrulamak için yer basınçlandırma testi icra edilmiş ve test edilen noktalardan toplanan veriler sonlu elemanlar analizi sonucunda hesaplanan gerlim değerleri ile karşılaştırılmıştır. İlk karşılaştırma sonucunda bir çok bölge için kabul edilebilir sonuçlar elde edilmiştir. Fakat daha iyi bir korelasyon elde etmek amacıyla, modelde birtakım güncellemeler yapılmış ve model tekrar analiz edilmiştir. Elde edilen güncellenen sonuçlarla test sonuçlarının karşılaştırılması sonucunda istenilen seviyelerde bir korelasyon sağlanmış ve kokpit sonlu elemanlar modeli son halini almıştır. KAYNAKÇA [1] MSC.NASTRAN, User s Guide, MSC.Software, 2001 [2] Practical Application of Finite Element Analysis to Aircraft Structural Design (1986). AGARD Lecture Series No.147. US.