Aerodynamic optimization of UAV wing design using computational fluid dynamics (CFD) analysis

Bu çalışma, hem geleneksel hem de kompozit malzemelerden inşa edilen insansız hava aracı (İHA) kanatlarının yapısal ve aerodinamik performansına ilişkin kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Araştırma özellikle üç malzeme konfigürasyonuna odaklanmaktadır: geleneksel alüminyum, %65 uzun cam elyafı ile güçlendirilmiş Epoksi Levha Kalıplama Bileşiği (SMC) ve Epoksi E-cam kompozitler. Birincil amaç, optimum malzeme seçimi yoluyla İHA kanatlarının aerodinamik verimliliğini ve yapısal bütünlüğünü artırmaktır. Tüm malzeme vakaları boyunca kaldırma ve sürükleme gibi aerodinamik kuvvetleri değerlendirmek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) kullanılarak ayrıntılı bir hesaplamalı analiz yürütülmüştür. Bunu, gerçekçi uçuş koşulları altında kanatların yapısal tepkilerini değerlendirmek için tek yönlü Akışkan-Yapı Etkileşimi (FSI) analizi izlemiştir. Ek olarak, uçuş kararlılığını etkileyebilecek kritik titreşim modlarını belirleyerek kanat yapılarının doğal frekanslarını ve mod şekillerini belirlemek için modal analiz yapılmıştır. CFD analizi, kanatlara etki eden kuvvetleri niceleyerek tüm malzeme konfigürasyonları için tutarlı aerodinamik yük verileri sağlamıştır. Sonraki FSI analizi, her bir malzemenin operasyonel yükler altında gerilim dağılımlarını, deformasyon özelliklerini ve yapısal zorlanmaları nasıl ele aldığına dair içgörüler sundu. Sonuçlar, malzemeler arasında güvenlik faktörleri, deformasyonlar ve doğal frekans davranışları açısından önemli farklılıklar ortaya koydu. Özellikle, kompozit malzemeler üstün yapısal mukavemet ve azaltılmış ağırlık sergileyerek alüminyumdan daha iyi performans gösterdi ve bu da daha yüksek güvenlik marjlarına ve titreşimsel gerilimlere karşı gelişmiş dirence yol açtı. Kompozitler arasında Epoksi E-cam malzemesi, gerilim dağılımı ve deformasyon kontrolü açısından en yüksek güvenlik faktörünü ve en dengeli performansı göstererek, İHA kanat tasarımı için üstünlüğünü gösterdi. Bu araştırma, özellikle aerodinamik verimliliğin ve yapısal dayanıklılığın çok önemli olduğu kanat yapıları için İHA tasarımında malzeme seçiminin kritik önemini vurgulamaktadır. Bulgular, gelecekteki İHA geliştirmeleri için değerli içgörüler sunarak, gelişmiş kompozit malzemelerin performansı optimize etme, yapısal ağırlığı azaltma ve değişen uçuş koşulları altında daha güvenli, daha güvenilir bir çalışma sağlama potansiyelini vurgulamaktadır.