Havacılık taşıtlarındaki uygulamalar için karbon lif takviyeli kompozit yüksek basınç/ yakıt tankı tasarımı ve üretimi

Abstract

Havacılık uygulamalarında sıkıştırılmış gazların geniş çaplı kullanımı, güvenli ve hafif olan kompozit yüksek basınçlı depolama sistemleri için yükselen bir talebe yol açmaktadır. Günümüz havacılık endüstrisinde kullanılmakta olan basınçlı tankların spesifikasyonları diğer tüm endüstride kullanılan basınçlı tanklara göre farklıdır. Örneğin, otomotiv sektöründe maliyeti en düşük malzeme eğer asgari şartları sağlamakta ise parça üretiminde tercih edilebilmektedir. Ancak havacılıkta, maliyetten ziyade temel tercih malzeme mukavemeti ve buna bağlı olarak maksimum güvenlik anlayışı söz konusudur. Endüstride yaygın olarak kullanılan kompozit basınçlı tank üretim yöntemi filament sarımdır. Filament sarım oturmuş köklü bir teknolojidir. Ancak gelecekteki kompozit basınç tanklarına olan dramatik talep artışı gibi zorluklar, alternatif üretim yöntemlerinin araştırılmasını gerektirmektedir. Artan kompozit basınçlı tank talebini karşılamak için çeşitli alternatif teknolojiler bulunmaktadır. Bunlardan biri radyal braiding üretim yöntemidir. Filament sarımda, bir mandrel üzerine sınırlı sayıda fiber sarımı yapılabilmektedir ve bu durum üretim kapasitesini olumsuz olarak etkilemektedir. Braiding yönteminde ise, aynı anda çok sayıda fiberin sisteme aktarılması mümkün olup standart makinelerde bu fiber sayısı 200'e kadar olanak vermektedir. Bu durum da braiding yönteminin filament sarıma göre oldukça yüksek üretim hızına neden olmaktadır. Braiding üretim yönteminde istenen yapıya göre makinedeki bobin sayısı önemli bir parametre olup üretim hattı için dikkate alınması gereken önemli bir husustur. Ayrıca, yapılan araştırmalarda braiding yöntemi ile elde edilen kompozitin, filament sarımlı kompozit yapıya göre belirli yük durumlarında kırılma direncinin daha fazla olduğu görülmüştür. Daha iyi kırılma direncine sahip olduğu bilinen braiding ile üretilmiş kompozit yapılar, birbirine kenetlenen fiber mimarilerdir. Bu özellikle ani darbe performansını artıran en önemli faktördür. Bu tez çalışmasında gerçekleştirilen araştırma, kompozit basınçlı tankların (CPV) üretimi için alternatif üretim teknolojilerinden biri olan braiding teknolojisini havacılık alanında kullanımını incelemektedir. Yapılmış olan bu çalışma, karbon lif takviyeli kompozit basınçlı tankların mekanik, basınç ve yapısal analizlerini içermektedir.

The extensive use of compressed gases in aerospace applications is leading to a rising demand for composite high-pressure storage systems that are safe and lightweight. The specifications of the pressure vessels used in today's aviation industry are different from the pressure vessels used in all other industries. For instance, the material with the lowest cost in the automotive industry can be preferred in the production of parts if it meets the minimum requirements. However, in aviation, the main preference is material strength and, accordingly, maximum safety, rather than cost. Composite pressure vessel production method, which is widely used in the industry, is filament winding. Filament winding is a well-established technology. However, challenges such as the dramatic increase in demand for future composite pressure vessels require the exploration of alternative production methods. Various alternative technologies exist to meet the increasing demand for composite pressure vessels. One of them is the radial braiding production method. In filament winding, a limited number of fibers can be wound on a mandrel, which negatively affects the production capacity. In the braiding method, it is possible to transfer many fibers to the system at the same time, and this fiber number allows up to 200 in standard machines. This situation causes a very high production rate of the braiding method compared to filament winding. The number of bobbins in the machine is an important parameter according to the desired structure in the braiding production method, and it is an important factor to be considered for the production line. Besides, in the researches, it has been seen that the composite obtained by braiding method has a higher impact resistance under certain load conditions compared to the filament wound composite structure. Composite structures produced by braiding, which are known to have better impact resistance, are interlocking fiber architectures. This is the most important factor that increases the sudden impact performance. The research carried out in this thesis study examines the use of braiding technology, which is one of the alternative production technologies for the production of composite pressure vessels (CPV), in the field of aviation. This study includes mechanical, pressure and structural analyzes of carbon fiber composite pressure vessels.