Hava aracı kanatlarında topoloji optimizasyonu ile ağırlık azaltma

Havacılık sektöründe, ağırlık parametresi son derece önemlidir. Ağırlığın, hava aracı performansı ve faydalı yük kapasitesi gibi faktörlere doğrudan etki ettiği bilindiği için, tasarımların daha hafif ve aynı zamanda sağlam olacak şekilde yapılması amaçlanmaktadır. Bununla birlikte, en iyi geometriye ulaşmak zaman alabilmektedir. Belirlenen sınır koşulları ve yükler göz önünde bulundurularak topoloji optimizasyonu yöntemi ile istenen geometri içindeki ideal malzeme dağılımı daha kısa sürede bulunabilmektedir. Bu tez çalışmasında, ANSYS yazılımının sonlu elemanlar yöntemini kullanan, Structural Optimization modülü ile NACA 0012 kanat profiline sahip bir kanat kesiti ve 4 m kanat açıklığına sahip bir kanat için yapısal topoloji optimizasyonu yapılmıştır. Geometriler üç boyutlu modelleme yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Ardından, kanat kesiti için kararlı halde, deniz seviyesinde, sıkıştırılamaz akış koşullarında, 100 m/s hız ile HAD analizi çözümü sonlu hacimler yöntemini kullanan Fluent yazılımı ile viskoz ve türbülanslı akış koşulları altında yapılmıştır. Çözümler -15⁰, -10⁰, -5⁰, 0⁰, 5⁰, 10⁰, 15⁰ olmak üzere yedi farklı hücum açısında yapılmıştır. Optimizasyonlar için iki farklı durum kurgulanmıştır; ilk olarak kanat kesitlerinin ortasına rijit bir ana kiriş (spar) konumlandırılmıştır. Diğer senaryoda ise veter uzunluğunun 0.25 ve 0.5 noktalarında dikey nervürler (ribler) konumlandırılmıştır. Bütün hücum açılarındaki HAD analizi çözümleri bu iki senaryodaki kesitlere ayrı ayrı aktarılıp sırasıyla hacim oranları %20 ve %10 olarak tanımlanarak topoloji optimizasyonu yapılmıştır. Ardından, eş zamanlı olacak şekilde yedi farklı hücum açısının çözümleri kullanılarak bu iki senaryo için çok noktalı (multi-point) topoloji optimizasyonu yapılmıştır. Bu tez çalışmasını diğer çalışmalardan ayıran bir tarafı da bu olmuştur. Yedi farklı hücum açısı çözümünün eş zamanlı olarak çok noktalı optimizasyonda kullanılmasında literatür araştırmasında rastlanmamıştır. Ayrıca, kanat geometrisi için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) çözümü ile hesaplanmış aerodinamik yük kullanan araştırmaların sayısının da fazla olmadığı görülmüştür. Kanat kesiti optimizasyonu tamamlandıktan sonra 4 m kanat açıklığına sahip bir kanadın 0.5 Mach akış hızında, kararlı halde ve 0⁰ hücum açısında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizi yapılmıştır. Tam dolu kanat için %10 hacim oranı tanımlanarak en iyi geometri için sonuçlar incelenmiştir. Araştırma süresince optimizasyon sürecinin oldukça hassas olduğu, sonuçların özellikle topoloji optimizasyonu için kullanılan sınır koşullarına ve çözüm ağına bağlı olduğu görülmüştür. Bu nedenle de problemin oldukça dikkatli tanımlanması gerektiği gözlemlenmiştir ve ilgili önerilerde bulunulmuştur. Çözümlerin birçok farklı etmenden etkilendiği ve orijinal sonuçlar elde etmenin olası olduğu görülmüştür. Sonuç olarak yapısal topoloji optimizasyon sürecinin mühendislik tasarımları için oldukça efektif bir araç olduğu sonucuna varılmıştır. Üretim teknolojilerinin gelişmesi ile kompleks optimum sonuçlar çıkarabilen bu aracın kullanımının artması beklenmektedir.