Geri Dön

Minimum mass design and finite element validation of isogrid and orthogrid stiffened cylindrical structures

Isogrid ve orthogrid ile güçlendirilmiş silindirik yapıların minimum kütle tasarımı ve sonlu elemanlar ile doğrulaması

PDF İndir

  1. Tez No: 993491
  2. Yazar: HAKAN ATKAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Makine Mühendisliği, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Defense and Defense Technologies, Mechanical Engineering, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez, izogrid ve ortogrid güçlendirilmiş silindirik yapıların boyutlandırılması için analitik ve parametrik bir tasarım metodolojisi sunmaktadır. Temel amaç, belirli yükleme koşulları altında yapısal ağırlığı minimize etmek ve optimize edilmiş konfigürasyonları sonlu elemanlar (SE) burkulma simülasyonları ile doğrulamaktır. Tek bir burkulma moduna dayanan muhafazakâr bir yaklaşım yerine, bu çalışma kritik burkulma mekanizmalarını global burkulma, kabuk (panel) burkuması ve güçlendirme elemanı burkulmasını eş zamanlı olarak ele alarak kütle açısından verimli tasarımlar elde etmeyi hedeflemekte ve iç basınç etkilerini de hesaba katmaktadır. Çalışma, havacılık ve uzay uygulamaları için hafif ancak burkulmaya dayanıklı silindirik yapıların geliştirilmesinin önemini vurgulayarak başlamakta ve isogrid ile ortogrid konfigürasyonlarının tarihsel gelişimi ve yaygın kullanım alanlarına ilişkin bir genel bakış sunmaktadır. Özellikle isogrid, eşkenar üçgen hücrelerden oluşan entegre güçlendirilmiş bir tasarım olarak tanımlanmakta olup, neredeyse izotropik rijitlik özellikleri sağlamakta ve yıllar içinde çeşitli fırlatma aracı ve uzay aracı yapılarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Öte yandan ortogrid, boyuna kirişlerin (stringer) ve çevresel halkaların (ring) toplam rijitliğe farklı şekillerde katkıda bulunduğu ortotropik güçlendirilmiş bir kabuk olarak nitelendirilmektedir. Bu konfigürasyon, ağırlıklı olarak eksenel ve eğilme yüklerine maruz kalan birincil yapılar için uygun bir seçenek olmaya devam etmekte, ancak isogrid ile karşılaştırıldığında farklı performans değerlendirmeleri ve tasarım ölçütleri içermektedir. Matematiksel çerçeve, üç boyutlu bir elastisite probleminin referans yüzeyine dayalı bir kabuk formülasyonuna indirgenmesini gerekçelendirmek için ince cidarlı kabuk varsayımlarını tanıtmaktadır. Bu sadeleştirme, silindirik kabuklar için gerilme bileşkelerinin, rijitlik ilişkilerinin ve klasik stabilite teorilerinin uygulanmasına olanak sağlamaktadır. Bu temel kavramlar, ilerleyen bölümlerde güçlendirilmiş silindirler için analitik burkulma ifadelerinin geliştirilmesine zemin hazırlamakta ve eksenel basma ile eğilme yüklerine maruz kalan narin havacılık kabuklarının tasarımında burkumanın neden tipik olarak belirleyici faktör olduğunu açıklamaktadır. Bu çalışmanın başlıca teknik katkısı, yerleşik burkulma tasarım denklemlerini hesaplamalı olarak uygulanabilir bir optimizasyon algoritmasına dönüştüren birleşik bir analitik boyutlandırma yaklaşımıdır. İsogrid yapılar için tasarım stratejisi, birbirinden bağımsız üç burkulma modunun aynı yük seviyesinde eş zamanlı olarak kritik hale getirildiği bir minimum ağırlık kriterine dayanmaktadır. Bu koşul sağlanmazsa, bir burkulma modu erken aşamada baskın hale gelirken kalan yapısal kapasite kullanılmamış olarak kalır ve bu durum fazla kütleye yol açar. Bu eş zamanlı kritiklik kavramı, minimum ağırlıklı yapı tasarımında sıkça atıfta bulunulan“One-Horse-Shay”prensibiyle uyumludur. İsogrid hesaplama prosedürü, ardışık bir dizi adım aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Başlangıçta, eksenel kuvvet, eğilme momenti ve iç basıncın eksenel katkısından oluşan birleşik yükleme durumu eşdeğer bir eksenel çizgisel yüke dönüştürülmekte ve ardından hesaplama süreci boyunca kullanılan boyutsuz bir yükleme parametresi elde etmek üzere normalize edilmektedir. Daha sonra, sıfırdan belirlenen tasarım basıncının üzerindeki değerlere kadar uzanan bir aday iç basınç dizisi oluşturulmakta ve bu sayede algoritmanın, minimum ağırlık ÖZET xxx çözüm uzayını karakterize eden basınç, geometri ve yükleme arasındaki karşılıklı bağımlılığı araştırması sağlanmaktadır. Her aday basınç seviyesinde, boyutsuz geometrik parametreler (δ, α, β), doğrusal olmayan denklem sisteminin δ cinsinden sekizinci dereceden bir polinoma indirgenmesiyle belirlenmekte ve fiziksel olarak anlamlı kök (reel ve pozitif) seçilmektedir. Hesaplanan bu boyutsuz parametreler, daha sonra ağırlık eşdeğer kalınlığına dayalı bir minimum ağırlık eğrisi oluşturmak için kullanılmaktadır. Son olarak, belirleyici tasarım koşuluna karşılık gelen optimum basınç seviyesi belirlenmekte ve nihai boyutsal isogrid geometrisi elde edilmektedir. Ortogrid yapılar için tez, tutarlılığı korumak ve pratik uygulanabilirliği sağlamak amacıyla“isogrid türevli”bir yaklaşım benimsemektedir. Rastgele başlangıç değerleriyle başlamak yerine, optimize edilmiş isogrid çözümü, ortogrid tasarım değişkenleri için başlangıç noktalarını belirlemek ve arama aralıklarını tanımlamak amacıyla kullanılmaktadır. Ortogrid boyutlandırması, güçlendirme elemanı yüksekliği, kiriş kalınlığı, halka kalınlığı ve halka/kiriş aralıkları gibi birkaç bağımsız parametre içerdiğinden, tek adımda doğrudan kapalı formda bir minimum ağırlık çözümü elde etmek mümkün değildir. Bunun yerine, tanımlanan sınırlar dahilinde parametrik bir tarama gerçekleştirilmekte ve ilgili tüm kısıtlamaları sağlayan minimum kütleli konfigürasyon seçilmektedir. Bu metodoloji, hesaplama açısından pratik olmasının yanı sıra, aynı yükleme koşulları ve malzeme özellikleri altında isogrid ve ortogrid konfigürasyonları arasında tutarlı bir karşılaştırma yapılmasına da olanak tanımaktadır. Üretim hususları, kaynak bölgelerinin de ele alınmasıyla değerlendirilmektedir. Büyük güçlendirilmiş silindirler genellikle panellerin işlenmesi ve ardından birbirine birleştirilmesiyle üretildiğinden, güçlendirme elemanı deseni kaynak hatları yakınında kesintiye uğratılmak zorundadır. Bu durum, komşu güçlendirme kabuk bölümlerine kıyasla önemli ölçüde düşük katılık sergileyen, kaynak bölgeleri olarak bilinen lokal güçlendirilmemiş bantlar oluşturmaktadır. Tez, bu bölgeleri hesaba katmakta ve özel bir kalınlık boyutlandırma yaklaşımı sunmaktadır; çünkü kaynak bölgeleri hem lokal burkulma (basınç altında düz plaka bandı gibi davranarak) hem de test veya patlama basıncı koşullarındaki gerilme açısından kritik burkulma noktaları haline gelebilmektedir. Sunulan tasarımlarda, hem isogrid hem de ortogrid konfigürasyonları için üç segmentli bir yapı benimsenmiştir. Önerilen çerçeve daha sonra referans silindirlere uygulanmakta ve sayısal olarak doğrulanmaktadır. Sonlu elemanlar doğrulaması için, detaylı isogrid ve ortogrid geometrileri ANSYS'te her düğümde altı serbestlik derecesine sahip SHELL181 elemanları kullanılarak modellenmekte, kaynak bölgeleri ise lokal olarak kalınlaştırılmış kabuk alanları şeklinde temsil edilmektedir. Yük uygulamasının gerçekçiliğini artırmak ve yapay sınır etkilerini en aza indirmek için, aynı çapa sahip, 500 mm yüksekliğinde ve artırılmış cidar kalınlığında daha kalın silindirik uç segmentler modelin her iki ucuna eklenmiştir. Yükler ve sınır koşulları, doğrudan takviyeli kabuk bölgesine değil, bu uç segmentlere uygulanmaktadır. Ardından, burkulma yüklerini ve mod şekillerini değerlendirmek ve analitik hesaplar ile sayısal sonuçlar arasındaki ilişkiyi karşılaştırmak amacıyla, tek tasarım yük durumunun ötesine geçen çeşitli yük senaryoları altında doğrusal özdeğer burkulma analizleri gerçekleştirilmektedir. Analitik olarak belirlenen tasarım yükleri ile sonlu elemanlar burkulma sonuçları arasındaki karşılaştırma, analitik yaklaşımın incelenen tüm yükleme koşullarında makul bir birinci derece tahmin doğruluğu sağladığını göstermektedir. xxxi Sonuç olarak, bu tez kapsamlı bir analitik-sayısal çerçeve sunmaktadır: (i) isogrid yapılar için analitik bir minimum kütle boyutlandırma prosedürü, (ii) sınırlı parametrik arama kullanan isogrid türevli ortogrid minimum kütle tasarım metodolojisi, (iii) özdeğer burkulma analizi ve gerektiğinde ön gerilme uygulamasını içeren sistematik bir SE doğrulama iş akışı ve (iv) kaynak bölgeleri ile geçiş bölgelerinin kritik önemini vurgulayan tasarım yöntemleri. Genel doğrulama bulguları, analitik prosedürün ön tasarım amaçları için uygun kabul edilebilir sapmalarla baskın eğilimleri başarıyla yakaladığını göstermektedir. Ayrıca sonuçlar, basıncın stabilizasyon etkilerinin birleşik yükleme senaryoları altında analitik tahminleri muhafazakâr hale getirebileceğini ortaya koymaktadır. Dolayısıyla, iç basıncın önemli bir rol oynadığı durumlar için, sağlam ve güvenilir tasarım kararları alınmasını sağlamak amacıyla iyileştirilmiş etkileşim ilişkileri ve/veya uygun güvenlik ya da düşürme faktörleri gibi SE destekli kalibrasyon önerilmektedir.

Özet (Çeviri)

This thesis presents an analytical and parametric design methodology for determining the dimensions of isogrid and orthogrid stiffened cylindrical structures. The main objective is to minimize structural weight under given load conditions while verifying the optimized configurations through finite element (FE) buckling simulations. Instead of relying on a conservative single-failure-mode approach, this study pursues mass-efficient designs by simultaneously addressing the critical failure mechanisms global buckling, skin (panel) buckling, and stiffener/rib crippling while also incorporating the effects of internal pressurization. The study opens by highlighting the importance of developing lightweight yet buckling-resistant cylindrical structures for aerospace applications, and provides an overview of the historical development and common uses of isogrid and orthogrid configurations. Specifically, isogrid is described as an integrally stiffened design consisting of equilateral triangular cells, which produces nearly isotropic stiffness properties and has been widely adopted in various launch-vehicle and spacecraft structures over the years. Orthogrid, on the other hand, is characterized as an orthotropic stiffened shell where longitudinal stringers and circumferential rings contribute differently to the overall stiffness. This configuration remains a viable choice for primary structures subjected predominantly to axial and bending loads, though it involves different performance considerations and design tradeoffs compared to isogrid. The mathematical framework introduces thin-walled shell assumptions to justify simplifying a three-dimensional elasticity problem into a reference-surface-based shell formulation. This reduction allows the application of stress resultants, stiffness relationships, and classical stability theories for cylindrical shells. These foundational concepts provide the basis for developing analytical buckling expressions for stiffened cylinders in subsequent sections, and explain why buckling typically governs the design of slender aerospace shells subjected to axial compression and bending loads. The primary technical contribution of this work is a unified analytical sizing approach that transforms established buckling design equations into a computationally implementable optimization algorithm. For isogrid structures, the design strategy is based on a minimum-weight criterion where all three independent buckling modes are driven to become critical simultaneously at the same load level. If this condition is not satisfied, one failure mode would dominate prematurely while the remaining structural capacity remains unutilized, resulting in excess mass. This concept of simultaneous criticality aligns with the“One-Horse-Shay”principle commonly referenced in minimum-weight structural design. The isogrid calculation procedure is carried out through a series of sequential steps. Initially, the combined loading condition comprising axial force, bending moment, and the axial contribution from internal pressure is converted into an equivalent axial line load and subsequently normalized to yield a non-dimensional loading parameter that is used throughout the calculation process. A candidate internal pressure array is then generated, ranging from zero to values above the specified design pressure, enabling the algorithm to investigate the interdependence between pressure, geometry, and loading that characterizes the minimum-weight solution space. At each candidate pressure level, the non-dimensional geometric parameters (δ, α, β) are determined by reducing the SUMMARY xxvi governing nonlinear system to an eighth-order polynomial in δ, from which the physically meaningful root (real and positive) is selected. These computed non-dimensional parameters are subsequently used to construct a minimum-weight curve based on the weight-equivalent thickness. Finally, the optimum pressure level corresponding to the governing design condition is identified, yielding the final dimensional isogrid geometry. For orthogrid structures, the thesis employs an“isogrid-derived”approach to maintain consistency and ensure practical applicability. Rather than beginning with arbitrary initial values, the optimized isogrid solution is used to establish starting points and define search intervals for the orthogrid design variables. Since orthogrid sizing involves several independent parameters such as stiffener height, stringer thickness, ring thickness, and ring/stringer spacings obtaining a direct closed form minimum-weight solution in a single step is not feasible. Instead, a parametric sweep is conducted within the defined bounds, and the configuration with minimum mass that satisfies all relevant constraints is selected. This methodology is presented as computationally practical while also enabling a consistent comparison between isogrid and orthogrid configurations under identical loading conditions and material properties. Manufacturing considerations are addressed through explicit treatment of weld land regions. Because large stiffened cylinders are generally fabricated by machining individual panels and subsequently joining them together, the stiffener pattern must be discontinued near weld lines. This creates locally unstiffened bands, known as weld lands, which exhibit substantially lower stiffness compared to the adjacent stiffened shell sections. The thesis accounts for these regions and introduces a specific thickness sizing approach, as weld lands can become critical failure locations for both local buckling (behaving effectively as flat plate bands under compression) and stress under proof or burst pressure conditions. In the presented designs, a three-segment construction is adopted for both isogrid and orthogrid configurations. The proposed framework is then applied to reference cylinders and validated numerically. For finite element validation, detailed isogrid and orthogrid geometries are modeled in ANSYS using SHELL181 elements with six degrees of freedom at each node, while weld lands are represented as locally thickened shell regions. To enhance the realism of load introduction and minimize artificial boundary effects, thicker cylindrical end segments having the same diameter, a height of 500 mm, and increased wall thickness are attached at both ends of the model. Loads and boundary conditions are applied to these end segments rather than directly to the stiffened shell region. Linear eigenvalue buckling analyses are subsequently conducted under various load scenarios extending beyond the single design load case, in order to evaluate buckling loads and mode shapes and to assess the correlation between analytical predictions and numerical results. The comparison between analytically determined design line loads and finite element buckling results demonstrates that the analytical approach provides reasonable first-order prediction accuracy across all investigated loading conditions. In conclusion, this thesis presents a comprehensive analytical–numerical framework comprising: (i) an analytical minimum-mass sizing procedure for isogrid structures, (ii) an isogrid-derived orthogrid minimum-mass design methodology utilizing bounded parametric search, (iii) a systematic FE validation workflow incorporating eigenvalue buckling analysis and prestress application where applicable, and (iv) design insights that emphasize the critical importance of weld lands and transition regions. The overall validation findings indicate that the analytical procedure xxvii successfully captures the dominant trends with acceptable discrepancies suitable for preliminary design purposes. Additionally, the results reveal that pressure-stabilization effects can render the analytical predictions conservative under combined loading scenarios. Consequently, for cases where internal pressure plays a significant role, FE-supported calibration such as refined interaction relationships and/or appropriate safety or knockdown factors is recommended to ensure robust and reliable design decisions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    940966

    Design, structural optimization and experimental validation of an additively manufactured aerospace sandwich panel with different lattice cores

    Farkli kafes çekirdeklere sahip eklemeli imalatla üretilmiş bir havacilik sandviç panelinin tasarimi, yapisal optimizasyonu ve deneysel doğrulamasi

    HASAN GENÇARSLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ULAŞ YAMAN

  2. Tez No

    528774

    Yeni nesil yapısal optimizasyon teknikleri ile yüksek performanslı yolcu koltuğu komponentlerinin geliştirilmesi

    Development of high performance passenger seat components using new generation structural optimization techniques

    MUHAMMET ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ RIZA YILDIZ

  3. Tez No

    606430

    Şehir içi yol kenarı sabit tesisler için trafik kazalarına karşı koruyucu ve önleyici otokorkuluk geliştirilmesi

    Developing protective and preventive security bollard against traffic accidents for urban roadside fixed natural gas distribution stations

    MUSTAFA YURDABAL APAK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT ERGÜN

    DOÇ. DR. HALİT ÖZEN

  4. Tez No

    866216

    Design of additively manufactured hybrid structural brackets via topology optimization

    Topoloji optimizasyonu ile eklemeli imalata uygun hibrit yapısal braketlerin tasarımı

    CENGİZ KÖSEOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MESUT KIRCA

  5. Tez No

    851191

    Acquiring strain data from rear swing arm of a solar vehicle and topology optimization of rear swing arm

    Bir güneş taşıtının arka salıncağından gerinim verilerinin alınması ve arka salıncağın topoloji optimizasyonu

    MERT KİP

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Mekatronik MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYTAÇ GÖREN

Geri Dön