Takviyeli bir uçak gövde plakasının ve yapısal test adetlerinin güvenilirlik-tabanlı optimizasyonu

Abstract

Uçak yapısal güvenilirliği tasarım esnasında ve tasarım sonrasında alınan tedbirlerin belirsizlikleri azaltılması sayesinde artırılabilir. Tasarım esnasında alınan tedbirler; emniyet faktörü (safety factor) ve müsaade edilebilir malzeme özellikleri kullanımı ile yapısal testleri içerir. Kalite kontrol, muayene, sağlık denetimi, durum takibi, bakım gibi tedbirler ise tasarım sonrası uygulanan belirsizlik azaltma tedbirlerine örnektir. Bu çalışmada uygulama problemi olarak tipik bir yolcu uçağı gövdesindeki takviyeli bir panelin kırılmaya karşı tasarımı ele alınmış; panelin ve belirsizlik azaltma tedbirlerinden olan yapısal test adetlerinin eşzamanlı güvenilirlik tabanlı optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Optimizasyonda tasarım değişkenleri olarak kupon ve eleman testi adetleri ile mukavemet indirgeme faktörü, amaç fonksiyonu olarak ömür devri maliyeti kullanılmış ve panelin sertifikasyon testini geçme olasılığı kısıt olarak kullanılmıştır. Sertifikasyon testinin modellenmesinde `iki bölmede çatlak` durumu ele alınmıştır ve panelin bu testi geçme olasılığı Monte Carlo simülasyonu yöntemiyle hesaplanmıştır. Sertifikasyon testini geçme olasılığının hesabında kırılma tokluğu tahminindeki belirsizlikler, sınırlı sayıda kupon ve eleman testleri yapılmasından kaynaklanan hatalar, yükleme ve geometrideki belirsizlikler modellenmiştir. Eleman testlerinin güvenilirlik üzerine etkisi Bayes güncellemesi ile hesaba katılmıştır. Optimizasyonda kullanılmak üzere yapısal ağırlık ve güvenilirlik indisi için yanıt yüzeyler oluşturulmuştur. Birim ağırlık maliyetinin optimizasyon sonuçlarına etkileri de incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda; eleman testlerinin kupon testlerinden daha etkin olduğu görülmüş, eleman testi adeti arttıkça belirsizliklerinin azaldığı böylece de güvenilirliğin arttığı gözlenmiştir. Optimum eleman testi adetinin birim ağırlık maliyetine karşı olan duyarlılığının optimum kupon testi adetine göre daha fazla olduğu görülmüştür. Birim ağırlık maliyeti arttıkça, tasarımcı daha yüksek mukavemet indirgeme faktörü kullanmak istemekte, dolayısıyla optimum eleman testi adeti de artmaktadır. Son olarak, birim ağırlık maliyet değeri arttıkça optimizasyon ile elde edilen maliyet kazancının da artmakta olduğu görülmüştür.

Aircraft structural reliability can be improved by design and post-design safety measures that reduce uncertainty. The design uncertainty reduction measures include the use of safety factor, the allowable material properties and structural testing.Quality control, inspection, health inspection, condition monitoring, maintenance measures are the examples of uncertainty reduction measures implemented after the design process. In this study, design of a stiffened fuselage panel of a typical passenger aircraft against fracture is considered as an application problem, and simultaneous optimization of the panel and the number of structural tests, which is an example of uncertainty reduction measures, is performed. The number of coupon and element test along with company knockdown factors are used as design variables. The objective function is taken as the life cycle cost and probability of passing certification test is used as a constraint. Certification test evaluates the capability of the panel to sustain a two bay skin crack with broken central stiffener and the probability of passing this test is calculated by Monte Carlo Simulation. Uncertainty in the fracture toughness prediction, variability due to the finite number of coupon tests, and uncertainties in geometry, loading conditions and optimization for minimum cost are investigated. The effect of element test on the reliability is calculated with Bayesian updating. Response surfaces for the reliability index and structural weight are created to be used in optimization. The effect of weight penalty on the optimization results is investigated. It is found that the number of coupon tests is only marginally sensitive to the weight penalty parameter, while the number of the element test is strongly dependent on it. When the weight penalty parameter increases, each pound of structural weight becomes more valuable, the designer tend to increase the additional knockdown factors to save weight and the number of element tests increases to compensate for the increased knockdown factor. Lastly, the cost saving increases as weight penalty parameter increases, as expected.