AĞIR BİR NAKLİYE UÇAĞINA AİT BİR YAPISAL BİLEŞENİN TASARIMI VE ANALİZİ

Transkript

1 III. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI Eylül 2010, ANADOLU ÜNİVERSİTESİ, Eskşehr AĞIR BİR NAKLİYE UÇAĞINA AİT BİR YAPISAL BİLEŞENİN TASARIMI VE ANALİZİ Davut ÇIKRIKCI * Yavuz YAMAN Murat SORGUÇ ODTÜ/TAI, ANKARA ODTÜ, ANKARA TAI, ANKARA ÖZET Bu çalışmada ağır br naklye uçağı arka gövdesne at br yapısal bleşenn tasarım ve analz evreler sunulmuştur. Tasarlanan bleşen olan yapısal bağlantı elemanı, uçağın gövde montajında k kaburganın ya da k takvye krşnn brbrne bağlantısını sağlayan arayüz elemanıdır. Uçak gövdesndek çevresel güçlendrcler olan kaburgalar brbrlerne kaburga bağlantı elemanları le, boylamsal güçlendrcler olan takvye krşler se takvye krş bağlantı elemanları le brleştrlmektedr. Tasarım evresnn başlangıcında, kaburga bağlantı elemanları ve takvye krş bağlantı elemanları çn takp edlmes gereken yapısal tasarım prenspler anlatılmıştır. Ön tasarım aşamasından sonra, lgl yük koşulları altında yapısal analzlern yapıldığı kavramsal tasarım aşaması gerçekleştrlmştr. Yapısal analz yöntemler tanımlanmış ve tpk br kaburga bağlantı elemanı ve takvye krş bağlantı elemanı analz yapılarak örneklenmştr. Tasarım prenspler ve yapısal analz metotlarına ek olarak, tasarımı yapılan bleşene at krtk yük koşulu belrleme şlem de çalışmada anlatılmıştır. Kaburga ve takvye krş bağlantı elemanlarının yapısal analzler sırasında uygulanan yükler, uçağın sonlu elemanlar modelnden elde edlmştr. Son olarak, seçlen bleşenn tasarım ve analz le lgl genel sonuçlar dle getrlmş, gelecekte olası yapılablecek benzer çalışmalar çn önerler sunulmuştur. GİRİŞ Son yıllarda belren büyük ve ağır yük taşıyablme kapastes, hızlı ulaşım ve yüksek rtfada uçablme yetenekler, kısa mesafede ve yumuşak zemnlere neblme, yavaş hızlarda taktk uçuşlar yapablme ve havadan malzeme dağıtablme gb gereksnmler yen br ağır naklye uçağı htyacını doğurmuştur. Yen uçak hem asker hem de svl havacılık sertfkasyon krterlerne uygun olarak tasarlanacaktır. Günümüzde uçak gövde yapılarının yapısal tasarımı, kabuk, çevresel güçlendrcler ve boylamsal güçlendrclern tasarımından oluşmaktadır. Çevresel güçlendrcler kaburga olarak, boylamsal güçlendrcler se takvye krş olarak adlandırılmaktadır. Kabuk, çevresel güçlendrcler ve boylamsal güçlendrclern uçağın brncl yapı grubunu oluştururlar. Şekl 1; güncel br uçak çn detaylı br brncl yapı grubu göstermektedr. * Havacılık ve Uzay Mühendslğ Doktora Öğrencs, TAI / Havacılık ve Uzay Müh. Böl, E-Posta: dckrkc@ta.com.tr Prof. Dr., Havacılık ve Uzay Müh. Böl., E-Posta: yyaman@metu.edu.tr Yapısal Tasarım Müdürü, TAI, E-Posta: msorguc@ta.com.tr

2 Şekl 1: Günümüze At Tpk Uçak Gövde Yapılarının Bölümler [1] Brncl yapıların bağlantısını sağlayan arayüz parçaları; kaburga bağlantı elemanı veya takvye krş bağlantı elemanı olarak adlandırılır. Bu çalışmada bu tp bağlantı elemanlarının tasarım ve analz sunulacaktır. Tasarlanan bleşene at tpk bağlantı elemanı çeştler ve lntl geometrk modeller Şekl 2 ve Şekl 3 te gösterlmştr. Şekl 2: Tpk Kaburga Bağlantı Elemanı [1] Şekl 3: Tpk Takvye Krş Bağlantı Elemanı [1]

3 Tasarım ve Analze Grş KULLANILAN YÖNTEMLER Uçağın yapısal tasarımında takp edlen ana başlıklar ve krtk aşamalar Şekl 4 te gösterlmştr. Şekl 4: Bleşen Tasarımındak Krtk Aşamalar [1] Şekl 4 de gösterlen tasarım aşamaları; öncek tasarımlardan ednlen deneymlern yansıtıldığı ön tasarımla başlamakta, ardından krtk yük seçm ve kavramsal tasarım aşamasındak yapısal analz sırasında bleşenlere uygulanacak yük koşullarının belrlenmes gelmektedr. Son olarak kavramsal tasarım ve yapısal analz aşaması sonucunda tasarlanan parçaların uçuşa elverşllğ belrlenmş ve lgl tüm dsplnlern onayı alınarak parçalar üretlmştr. RF ; (reserve factor) bleşenn yapısal yeterllğn gösteren htyat faktörü anlamına gelmektedr. Dolayısıyla RF>1 tanımı yapısal bleşenn sertfkasyon ve uçuşa elverşllk bakımından yeterl olduğunu göstermektedr. Yetersz olması durumunda bleşen, yenden boyutlandırılarak krtk aşamalardan tekrar geçrlmeldr. Temel Tanımlar Bu bölümde tasarım sırasında kullanılan temel termler hakkında kısa blg ve tanımlar verlmştr; Uygulanan Yük, çeştl uçuş ve manevra durumlarında yapısal bleşen üzernde etkn olan ve sertfkasyon ve uçuşa elverşllk açısından yapılan kontrollerde bleşen üzernde denenen yük koşuludur. Kabul Edleblr Yük, yapısal analz metotları kullanıldığında parçanın dayanableceğ azam yük koşuludur. Lmt Yük, tasarlanan uçağın servs hayatı boyunca maruz kalableceğ azam yük durumudur. Nha Yük, lmt yükün belrl br güvenlk katsayısıyla çarpılarak elde edlen ve sertfkasyon gereksnmler açısından bleşenn dayanması gereken azam yük durumudur. Kullanılan Tasarım Prenspler Bu bölümde, seçlen arayüz bleşennn tasarımında kullanılan temel tasarım prenspler anlatılmaktadır. Anlatılan tasarım prenspler, arayüz bleşennn her k tp, kaburga bağlantı ve takvye krş bağlantı elemanları çn de geçerldr. Tasarlanan yapısal bleşen, arayüz bölges elemanları olduğu çn kullanılan tasarım prenspler de genel olarak bağlayıcıların konumları le

4 lgldr. Buna göre; kullanılacak bağlayıcıların aralıkları, kenara olan uzaklıkları ve k bağlayıcı sırası arasındak uzaklık, TAI Tasarım ve Analz Kılavuzu na [3] göre denklemler (1), (2) ve (3) te kullanılan bağlayıcının çapı bazında belrtlmştr. 4.5d < pd < 6. 5d (1) em < 2d (2) rd > 25*t (3) Denklemler (1), (2) ve (3) te aşağıda belrtlen kısaltmalar kullanılmıştır; d: Bağlayıcı Çapı pd: Aynı sıraya at k bağlayıcı arasındak uzaklık em: Bağlayıcı le bleşenn kenarı arasındak uzaklık rd: İç k bağlayıcı sırası arasındak uzaklık Bağlayıcı konumu le lgl tasarım prenspler Şekl 5 te gösterlmştr. Şekl 5: Bağlayıcı Konumları [3]. Kullanılan Yapısal Analz Yöntemler Bu bölümde belrtlen yapısal analz yöntemler tasarlanan elemanların çeştl şe yaramazlık (falure) durumları altında durumunu belrlemey ve dolayısıyla uçuşa elverşl olup olmadığının kararlaştırılmasını sağlayan yöntemlerdr. Tasarlanan elemanlarla lgl başlıca şe yaramazlık durumları şunlardır: ) Bağlayıcının kesme kuvvet altında şe yaramazlığı (shear falure) ) Bağlanan plakalardan brnn ezlmes (bearng falure) ) Çekme ve basma kuvvetler altında bleşenn malzeme şe yaramazlığı v) Basma kuvvet altında bleşenn buruşması (crpplng) v) İk bağlayıcı arasında burkulma (bucklng) Tasarlanan bleşenn yukarıda belrtlen şe yaramazlık durumlarına karşı, uçağın bütün uçuş ve yer manevraları sırasında oluşan, nha yüklemeler altında dah dayanması beklenmektedr. Her br şe yaramazlık durumuna at blgler ve kullanılan dayanım hesaplama yöntemler aşağıda verlmştr. ) Bağlayıcının kesme kuvvet altında şe yaramazlığı: Şekl 6 da gösterlen bu durum, temel olarak, bağlayıcının bağlantıda oluşan kesme kuvvet altında keslmes sonucunda sstemn şe yaramazlık durumuna gelmesdr.

5 Şekl 6: Bağlayıcının kesme kuvvet altında şe yaramazlığı Burada bağlayıcının dayanableceğ azam yük, P su,denklem (4) te belrtlmştr.[3] P = A (4) su su shr su : A shr : Bağlayıcı malzemesnn nha kesme gerlmes Bağlayıcının kest alanı Uygulanan yük (P s ) altında yapılan htyat faktörü hesaplaması denklem (5) te belrtlmştr.[3] Psu RF = (5) P k s Denklem (5) te kullanılan k ; montaj faktörü anlamına gelmektedr ve değer ağır uçaklar çn sertfkasyon gereksnmlern belrleyen CS-25 [2] krterlerne uygun olarak belrlenmştr. ) Bağlanan plakalardan brnn ezlmes: Bu şe yaramazlık durumu Şekl 7 te gösterlmştr. Şekl 7: Bağlanan Plakalardan Brnn Ezlmes [5] Bu şe yaramazlık durumunda plakanın dayanableceğ azam yük (P bru ) denklem (6) da belrtlmştr. [3] {( t D),( t D),...} P bru = mn bru MIN plaka1 bru MIN (6) plaka2 Denklem (6) da bru-min asgar ezlme gerlme dayanımını belrtmektedr ve hesaplanışı denklem (7) de verlmştr [3] {,1. } mn (7) bru MIN = bru 5 bry

6 Denklem (7) de bru plaka malzemesne at nha ezlme gerlmesn, bry se ezlme akma gerlmesn belrtmektedr. Buna göre krtk yük koşulunda oluşan bağlayıcı kesme kuvvet (P br ) altında hesaplanan htyat faktörü denklem (8) de belrtlmştr.[3] Pbru RF = P k br.(8) ) Çekme ve basma kuvvetler altında bleşenn malzeme şe yaramazlığı: Bu şe yaramazlık durumunda tasarım ve analz gerçekleştrlen yapısal bağlantı bleşennn orta kestnde oluşan azam çekme ya da basma gerlmeler malzemenn nha ve akma gerlmeler le karşılaştırılır. Örneğn; br kaburga bağlantı bleşenne at orta kest Şekl 8 da gösterlmştr. Şekl 8: Kaburga Bağlantı Bleşennn Orta Kest [1]. Orta kestn en ç ve en dış kenarlarındak gerlme sevyes TAI Tasarım ve Analz Kılavuzu nda [3] bulunan denklemler (9) ve (10) kullanılarak hesaplanmıştır. n out = = ( y y ) F md md f cg, md A md M I md ( y y ) F md md o f cg, md A md M I md Buna göre hesaplanan htyat faktörü denklem (11) de verlmştr; ( ) 1.5 ( y ) u bağ. _ elemanı RF = mn, uygulanan..(9) uygulanan.(10) bağ. _ elemanı (11) Denklem (11) de u ; bağlantı bleşen malzemesnn nha dayanım gerlmesn, y ; malzemenn akma dayanım gerlmesn belrtmektedr. uygulanan se uygulanan nha yük altında bleşende oluşan en büyük gerlmey tanımlamaktadır. Denklem (9) ve (10) göz önünde bulundurulduğunda uygulanan, n ve out değerlernden büyük olanıdır.

7 v) Basma Kuvvet Altında Bleşenn Buruşması: Buruşma, bleşenn kest yüzeynde kalıcı deformasyona neden olan plastk çarpıklık anlamına gelmekte olup, basma kuvvet altında en sık karşılaşılan şe yaramazlık tpdr. Şekl 9 da tpk br buruşma şe yaramazlığı gösterlmştr. Şekl 9: Bleşenn Buruşma Yetmezlğ [4] Bleşenn toplam buruşma şe yaramazlığı kabul edleblr gerlmes, bleşene at her bölge çn ayrı ayrı en yüksek kabul edleblr yükün hesaplanarak ve toplanması ve bu toplam yükün toplam alana bölünmes le hesaplanmaktadır. st = 1 A tot F cr,...(12) F cr, = l t y ξ..(13) Denklem (12) ve (13) çn; st : A tot : F cr, : l : t : y : ξ : Bleşenn toplam buruşma şe yaramazlığı kabul edleblr gerlmes, Bleşenn toplam kest alanı, Bleşen kestnn bölgesne at en yüksek kabul edleblr yük, Bleşen kestnn bölgesnn uzunluğu, Bleşen kestnn bölgesnn kalınlığı, Bleşen malzemesne at akma gerlm, Bleşen malzemesnn alaşım çerklerne bağlı doğrulama faktörü olarak tanımlanmıştır. Denklem (13) te kullanılan doğrulama faktörünün hesaplanablmes çn malzeme, boyut ve bleşen bölgesnn destek blgleryle bağlantılı yen br değştrge,ψ hesaplanması TAI Tasarım ve Analz Kılavuzu na göre [3] Denklem (14) te belrtlmştr. Ψ l = t y E SF...(14) Denklem (14) te SF bleşen kestnn durumuna bağlı değşen destek faktörünü belrtmektedr. Bu değer, br taraftan desteklenen bölge çn 0.41, k taraftan destekl bölgeler çn 3.60 olarak kullanılmaktadır.[1] Bleşen malzemesnn alaşım çerklerne bağlı olarak değşen doğrulama faktörünün hesaplanması Tablo-1 de belrtlmştr.

8 Tablo-1: Buruşma Doğrulama Faktörü Hesaplanması Malzeme Doğrulama Faktörü ψ >1.03 <=1.03 ξ Ψ 0.8 Ψ Hesaplanan en yüksek kabul edleblr gerlme, bleşene uygulanan nha yükleme le karşılaştırılarak; bleşenn basma kuvvet altındak buruşmasına at htyat faktörü hesaplanır. v) İk Bağlayıcı Arasında Burkulma: Bu şe yaramazlık temel olarak basma kuvvet altında kabukta k bağlayıcı arasındak bölgenn kararsızlığı sonucunda oluşan kalıcı şe yaramazlıktır. Bu şe yaramazlık açısından bleşene at en yüksek kabul edleblr yük ve gerlm hesaplanması çn yardımcı faktör γ hesaplanması TAI Tasarım ve Analz Kılavuzu na [3] göre Denklem (15) te belrtlmştr. s cy γ = (15) t C E c Denklem (15) te aşağıdak tanımlamalar kullanılmıştır. s: Bağlayıcı aralığı, t: Plakanın kalınlığı, C: Bağlayıcı kenetlenme faktörü, E c : Basma kuvvet altında elastk sabt Denklem (15) hesaplaması sonucunda γ> se malzeme elastk rejmde olup bu şe yaramazlık tp çn en yüksek kabul edleblr gerlm hesaplanması Denklem (16)da belrtlmştr. 1.5 ( 0. γ ) cy cr, rb = (16) γ< durumunda se malzeme plastk rejmde olup bu şe yaramazlık tp çn hesaplanan gerlme hesaplaması Denklem (17)de belrtlmştr. cy cr, rb =.. (17) 2 γ Denklem (16) ya da (17) kullanılarak çıkan en yüksek kabul edleblr gerlme, bleşen üzerne uygulanan nha yük sonucu oluşan gerlme karşılaştırılarak htyat faktörü hesaplanır. Uygulanan Yükler ve Yük Seçm Krterler Asker ve svl sertfkasyon gereksnmler düşünüldüğünde tasarlanan uçağın aşağıda belrtlen yük koşullarına dayanıklılığı gerekmektedr; a) 2ΔP ( HPa) İç Basınç Yükü b) Rampa Açık ve Kapalı Uçuş Yükler c) Yer Operasyonları Yükler Yer operasyonları yükler, smetrk nş, sürüklenerek nş, tek teker üzerne nş, yerde dönüş, kalkış pstnde lerleme, taks, uçak çekme, yan sıçrayış ve frenleme yüklernden oluşmaktadır. Uçuş yükler se, yanal ve dkey manevra yükler, turbulans ve an rüzgar yükler olarak sınıflandırılablr.

9 Yukarıda belrtlen her br yük koşulu, tasarlanan uçağın bağlantı bleşenlern çeren bölgesne at gövde kestnde yanal ve boylamsal eğlme moment, burulma ve kesme kuvvetler yaratmaktadır. Yapısal analzler sonucunda tasarım aşamasındak uçakta olası br yük artışı olması durumunda lk bakışta hang bölgelern ne kadar etkleneceğ, bütün yapısal analz şnn tekrar yapılıp yapılmaması gerektğ gb sonuçlara varılmaktadır. Bu çalışma le lgl olarak yük seçm krter çalışması sonucunda arka gövde kabuk ve takvye krş bağlantı bleşenler çn en krtk yükler, smetrk nş (kabuk) ve yanal an rüzgar yükler (takvye krş) olarak belrlenmştr. Şekl 10 da yukarıda belrtlen yük koşulları altında gövde kestnde bulunan kuvvet ve momentler gösterlmektedr. Şekl 10: Gövde Yüklenme Koşulları [1] Hesaplanan yükler, sonlu elemanlar yöntem yardımıyla yaratılan uçak modelne uygulanmıştır. Sonlu elemanlar analz sonucu tasarımı gerçekleştrlecek bleşen tplerne at düğüm deformasyon, düğüm yük dengesonuçları, eleman gerlmeler ve eleman kuvvetler elde edlmş ve yukarıda belrtlen yapısal analz yöntemlernde grd olarak kullanılmıştır. Bununla lgl arka gövde sonlu elemanlar model Şekl 11 de gösterlmştr. Şekl 11: Arka Gövde Üst Kabuk Sonlu Elemanlar Model [1]

10 SONUÇ Bu çalışmada ağır br naklye uçağına at br bleşenn tasarım ve analz evreler anlatılmıştır. Yapılan analz ve tasarım çalışmaları, her tasarlanan bleşenn k ayrı tp olan kaburga ve takvye krş yapısal bağlantı elemanlarının tasarlanan uçak ve beklenen operasyon koşulları çn çok krtk olduğunu göstermştr. Uçağın arka gövde üst kabuğunda yer alan bleşenler çn özellkle smetrk nş ve an rüzgar yüklemeler en krtk yükler olarak belrlenmştr. Bu yüklemeler altında kabuk, çekme kuvvetne maruz kalırken, bu bleşenn ç çıkıntılı kenarında basma yükler oluşmuş ve bu bölgede buruşma ve yanal kararlılık şe yaramazlıklarına yatkınlık görülmüştür. Çalışmada kullanılan analz yöntemler ve sonlu elemanlar model yapılan küçük ölçekl ve büyük ölçekl testlerle doğrulanmıştır. Bu test ve deneylerden sonra, uçuş test sonuçları da ncelenmş olup, bu süreçte hesaplanan uçuş yükler de doğrulanmıştır. KAYNAKLAR [1] Desgn and Analyss of a Structural Component of a Heavy Transport Arcraft, MSc. Thess, D.Çıkrıkcı, 5 Şubat [2] Certfcaton Specfcatons for Large Aeroplanes, CS 25, EASA, Amendment 4, 27 Aralık 2007 [3] TAI Desgn and Structural Analyss Manuals [4] Arframe Stress Analyss and Szng, M.C.Y. Nu, Ekm 1989 [5] Practcal Stress Analyss for Desgn Engneers, J.C. Fabel, 1986