Bir takviyesiz uçak panelinin ve yapısal test adetlerinin olasılıksal yöntemler kullanarak eşzamanlı optimizasyonu

Abstract

Uçakların yapısal emniyeti, uçak yapılarının belirsizlikler altında tasarlanması ve belirsizlikleri azaltacak yönde adımlar atılması ile sağlanır. Emniyet faktörü ve müsaade edilebilir malzeme özellikleri belirsizliklere karşı koruma amaçlı emniyet tedbirleri olup, kupon testleri, yapısal eleman testleri, bakım/onarım ve sağlık denetimi ise belirsizlikleri azaltmaya yönelik emniyet tedbirleridir. Bu çalışmada belirsizlik azaltma mekanizmalarından yalnızca yapısal testler ele alınmış, bir takviyesiz uçak paneli ele alınarak testlerin uçak panelinin yapısal güvenilirliğine olan etkisi incelenmiş ve takviyesiz uçak panelinin kalınlığı ile yapısal test adetlerinin olasılıksal eniyileştirilmesi gerçekleştirilmiştir. Öncelikle yapısal testlerin hasar gerilmesi dağılımına etkileri incelenmiştir. Yapısal belirsizlikler ve gelecekte yapılacak testlerden elde edilebilecek tüm olası sonuçlar modellenmiş, sertifikasyon testindeki başarısızlık ihtimali ve uçuş esnasındaki hasar ihtimali Monte Carlo simülasyonu ile hesaplanmıştır. Daha sonra olasılıksal tasarım teknikleri kullanılarak uçak panelinin ve yapısal test adetlerinin minimum ömür devri maliyeti için eşzamanlı eniyileştirilmesi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, birim ağırlık maliyetinin panelin tasarımı ve yapısal test adetlerinin belirlenmesi üzerine etkisi incelenmiştir. Birim ağırlık maliyetinin değeri, farklı çalışmalar baz alınarak makul sınırlar içinde değiştirilmiştir. Elde edilen bulgular göstermektedir ki, eniyileştirme sonuçları ağırlıklı olarak birim ağırlık maliyetine bağlıdır. Optimum kupon testi adeti, birim ağırlık maliyetinden bağımsız olarak daima 80 (çalışmadaki üst limit) olarak belirlenmiştir. Bunun nedeni de kupon testi maliyetinin düşük olmasıdır. Eleman testi adeti ise birim ağırlık maliyetine bağlı olmak üzere dört veya beş olarak değişmektedir. Son olarak, olasılıksal tasarım problemi minimum ömür devri maliyet yerine minimum hasar ihtimali için çözülmüş ve benzer sonuçlar elde edilmiştir.

The safety of aircraft structures can be achieved by designing the structure against uncertainty and by taking steps to reduce the uncertainties. Safety factors and allowable material properties are the measures for compensating uncertainties, while coupon tests, structural element tests, quality control, inspection, health monitoring and maintenance are uncertainty reduction measures. In this paper, only structural tests are considered among these uncertainty reduction measures. A represantative unstiffened aircraft panel is considered and the effects of the structural tests on aircraft panel?s structural reliability are investigated and aircraft panel?s thickness and the number of structural tests are simultaneously optimized. Structural uncertainties and future tests are modelled, probability of failure in certification testing and probability of failure during service life are computed through Monte Carlo simulations. Then, aircraft panel thickness and the number of structural tests are simultaneously optimized for minimum life time cost by using probabilistic methods. The effect of weight penalty factor on the obtained results are investigated. The value of the weight penalty factor is varied in the reasonable range based on other works in literature. The results show that optimization results depend heavily on the weight penalty factor. Optimal number of coupon tests is determined 80 (upper limit in the work) and found to be independent of the weight penalty factor. The reason for this is argued to be the very low cost of the coupon tests. Optimal element test changes from four to five and depending on the weight penalty factor. Finally, probabilistic design optimization problem is solved for minimum probability of failure besides minimum operational life time and similar results are obtained.