Helikopterlerde kullanılan küresel elastomerik yatakların mekanik tasarımı

Abstract

Uluslararası literatürde düzlemsel elastomerik yataklarla ilgili birçok çalışma dikkati çekerken, çok katmanlı olmasından ve tasarım zorluklarından dolayı küresel elastomerik yataklarla ilgili çok az çalışma bulunmaktadır. Elastomerik yataklar, tabakalara dik gelen yüklere karşı rijitken tabakalara paralel gelen yüklere karşı esnektir. Böylece küresel elastomerik yataklar helikopter pervanelerinin dönmesinden kaynaklı merkez kaç kuvvetine karşı rijit, pervanenin kanat çırpma ve dönme hareketine karşı esneklik sağlamaktadır. Elastomer malzeme üzerindeki gerilmeler, yatağın ömrünü azaltır; bu ise, maksimum gerilmenin azaltılmasının, elastomerik yatak ömrü için çok önemli olduğunu gösterir. Bu çalışmada küresel elastomerik yatağın mekanik davranışı, doğrusal olmayan sonlu elemanlar programı ABAQUS ile modellenmiş ve simüle edilmiştir. Bu çalışmada elastomer tabakalarındaki gerilme dağılımları, hiperelastik Mooney-Rivlin yaklaşımı kullanılarak belirlenmiştir. Basınç yüklemesi ve açısal yer değiştirme yüklemesine maruz küresel elastomerik yatağın, delik çapının, delik şeklinin, elastomer tabaka kalınlığının, tabaka sayısının ve elastomer yatak profilinin elastomer tabakalar üzerindeki maksimum gerilme üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sonuçlar göstermiştir ki; basınç ve açısal yer değiştirme yükü altındaki en yüksek gerilme, en dıştaki son katmanlarda meydana gelmektedir. Elastomer katmanların şeklini ve kalınlığını değiştirerek tüm katmanlar üzerindeki maksimum gerilmeleri azaltmak mümkündür. En önemli azalma, delik çapındaki değişiklikle mümkün olmakta ve böylece elastomer yatağın ömrünün uzatılabileceği ortaya çıkmaktadır. Sonuç itibari ile elastomerik yatakların ömrünün uzatılması ile önemli oranda maliyetler düşebilecektir. Bu tez aynı zamanda, Türkiye'de küresel elastomerik yatakların incelenmesine ve tasarımına dair yapılan ilk çalışma niteliğindedir.

While there are many studies on planar elastomeric bearings in the international literature, there are few studies on spherical elastomeric bearings due to their multilayered and design difficulties. The elastomeric bearings are rigid against loads perpendicular to the sheets, while being flexible against loads parallel to the sheets. Thus, the spherical elastomeric bearings are rigid against the centrifugal force caused by the rotation of the helicopter propellers and provide flexibility against the flapping and rotational movement of the propeller. Stresses on elastomer material reduce bearing life; this means that the reduction of the maximum stress is very important for the elastomeric bearing life. In this study, mechanical behavior of spherical elastomeric bearing is modeled and simulated by nonlinear finite element code ABAQUS and stress distributions in elastomer layers are determined by using hyperelastic Mooney-Rivlin approach. The effect of spherical elastomeric bearing subjected to pressure loading and angular displacement loading, hole diameter, hole shape, elastomer layer thickness, number of layers and elastomer bearing profile on the maximum stress on the elastomer layers was investigated. The results showed that; the highest stress under pressure and angular displacement load occurs in the outermost final layers. It is possible to reduce the maximum stresses on all layers by changing the shape and thickness of the elastomer layers. The most significant reduction is made possible by the change in the hole diameter, thus extending the life of the elastomeric bearing, and hence reducing associated costs. This thesis also constitutes the first study on investigation and design of spherical elastomeric bearings in Turkey.