Havacılıkta Yapısal Hasar Tespiti

Yer: ABD Deniz Harp Okulu, Colin Ratcliffe, Makine Mühendisliği Bölümü – https://www.usna.edu/MechEng Dept/

14 Eylül 1993’te Frankfurt’tan Varşova’ya giden Lufthansa Flight 2904, 11 numaralı piste yönlendirilerek rüzgar yön ve süratinin ani olarak büyük oranda değiştiğine (windshear) yönelik uyarıldı.
İniş sırasındaki rüzgar değişikliği nedeniyle uçak piste 310 km/s hız ile ve beklenen noktanın çok daha ilerisine tekerlek değdirdi ve duramayarak pistin dışına çıktı. Bu talihsiz kazada 2 kişi hayatını kaybederken, uçağın kuyruk bölümü hasar görmemiştir.

O nedenle üzerinde analizler yapılmak üzere Kanada’nın Ottawa, Kanada Havacılık ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü’ne götürüldü.
Testler sırasında, veriler 8 ivmeölçer kullanılarak çok sayıda test noktasında (450 test noktası) darbe uygulanarak (impacting) elde edilmiştir. Ayrıca, test ve analiz prosedürlerinin karşılıklılığı, kuyruk kanadına MEMS ivmeölçerler bağlanarak doğrulanmıştır.

Bu ön konsept kanıtı için 30 MEMS sensöründen gelen sinyaller, bir referans kuvvet etkisi ile birlikte tetiklenen iki adet 16 kanallı OROS analizörü ile eşzamanlı olarak elde edildi. Bu nedenle, bu deney OROS donanımının ölçüm kalitesine dayanıyordu: sadece kanaldan kanala değil, aynı zamanda analizörden analizöre.

SIDER (Yapısal Düzensizlik ve Hasar Değerlendirme Rutini-Structural Irregularity and Damage Evaluation Routine) testi, ultrasonik, termografi ve D-Sight dahil olmak üzere çeşitli NDE yöntemleriyle karşılaştırıldı. Kuyruk kanadındaki gizli hasarı başarıyla tespit etti, böylece havacılık yapılarına uygulanabilirliğini doğruladı.

Fotograf:
SIDER sonuçlarının dikey dengeleyici fotografı üzerine bindirilmiş görüntüsü. Testler OROS analizörü ile
Kanada’nın Havacılık ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü, Ottawa’da bir laboratuvarda gerçekleştirildi.

Modal tabanlı hasar tespitinin mantığı

Bir yapının doğal frekansları, mod şekilleri ve sönüm oranları; kütle, rijitlik ve sınır koşullarının bir sonucudur. Yapıda çatlak, delaminasyon veya bağlantı gevşemesi gibi bir değişim oluştuğunda yerel rijitlik değişir ve bu değişim modal parametrelere yansır.

Yöntemin gücü, hasarın görsel olarak erişilemeyen bölgelerde bile dolaylı olarak tespit edilebilmesidir. Sınırı ise şudur: modal parametrelerdeki değişim hasarın varlığını gösterir, ancak tek başına türünü ve tam konumunu her zaman belirlemez; bu nedenle sonuçlar genellikle sonlu elemanlar modeli ile birlikte yorumlanır.

Ölçüm kurulumunda kritik noktalar

• Test noktası yoğunluğu: ilgilenilen mod şekillerini ayırt edebilecek kadar nokta gerekir; yetersiz nokta sayısı farklı modların birbirine karışmasına yol açar.
• Uyarma yöntemi: darbe çekici hızlı kurulum sağlar; sarsıcı (shaker) ise tekrarlanabilir ve kontrollü enerji girişi verir.
• Sensör kütlesi: hafif yapılarda ivmeölçerin kendi kütlesi ölçülen frekansı etkileyebilir. Bu durumda temassız yöntemler tercih edilir.
• Sınır koşulu: serbest-serbest asma ile ankastre bağlama farklı sonuç verir; karşılaştırma yapılacaksa koşul sabit tutulmalıdır.

Referans veri olmadan olmaz

Hasar tespiti özünde bir karşılaştırma işidir. Hasarsız (sağlam) durumun modal imzası kayıt altına alınmamışsa, sonradan ölçülen değerlerin sapma olup olmadığı anlaşılamaz. Bu nedenle kritik yapılarda devreye alma sırasında bir başlangıç ölçümü yapılması, yapısal sağlık izleme programlarının ilk adımıdır.

Çevresel etkenler de karşılaştırmayı zorlaştırır: sıcaklık ve nem değişimi malzeme rijitliğini etkileyerek doğal frekanslarda hasara benzer kaymalar yaratabilir. Uzun dönemli izlemede bu etkilerin ayrıştırılması gerekir.

Ölçüm verisinden hasar göstergesine

Ham ölçüm verisi doğrudan bir hasar kararı vermez; önce anlamlı göstergelere indirgenir. Uygulamada en çok kullanılan göstergeler doğal frekanslardaki kayma, mod şekillerinin birbirine benzerliğini ölçen ilişki katsayıları ve mod şekli eğriliğindeki yerel değişimlerdir.

Bu göstergelerin duyarlılığı birbirinden farklıdır. Doğal frekanslar ölçülmesi en kolay büyüklüktür ancak yapının genel davranışını yansıtır; küçük ve yerel bir hasar frekansta belirgin bir değişim yaratmayabilir. Mod şekli eğriliği gibi türev tabanlı göstergeler yerel değişimlere daha duyarlıdır, ancak ölçüm gürültüsüne de aynı ölçüde açıktır.

Kompozit yapılarda ek zorluk

Metal yapılarda çatlak genellikle yüzeyden izlenebilirken, kompozit malzemelerde en kritik hasar biçimlerinden biri olan delaminasyon dışarıdan görünmez. Katmanlar arası ayrılma, yapının eğilme rijitliğini düşürür ve bu düşüş dinamik davranışa yansır.

Bu nedenle kompozit uçak parçalarında dinamik yöntemler, görsel muayeneye alternatif değil tamamlayıcıdır. Darbe sonrası hasar (BVID) gibi durumlarda, dışarıdan hiçbir iz görünmese dahi iç yapıda ayrılma bulunabilir.

Periyodik izlemeye geçiş

Tek seferlik bir hasar tespiti çalışması, o anki durumu gösterir. Kritik yapılarda asıl değer, ölçümün periyodik hale getirilmesiyle ortaya çıkar: modal parametreler zaman içinde izlendiğinde, yavaş gelişen bir bozulma erken aşamada fark edilebilir.

Periyodik izlemenin işe yaraması için ölçüm koşullarının her seferinde aynı olması gerekir; aynı uyarma yöntemi, aynı sensör konumları, mümkünse aynı çevre koşulları. Bu tekrarlanabilirlik sağlanmazsa, ölçülen fark yapının değişiminden mi yoksa yöntemin değişiminden mi geldiği ayırt edilemez.

Uçak yapıları için bu yaklaşım, bakım aralıklarının kullanım verisine dayandırılmasına da zemin hazırlar.