Döner kanatlı insansız hava aracı gövdesinin optimizasyonu ve sonlu elemanlar yöntemiyle analizi
Optimization of rotary wing unmanned aerial vehicle frame and analysis by finite element method
Yazar: ERDEM GÜNEY
Danışman: DOÇ. DR. GÜLTEKİN UZUN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Rotor tarafından döndürülen kanatların meydana getirdiği taşıma kuvveti sayesinde uçan hava araçlarına genel olarak döner kanatlı hava aracı adı verilmektedir. Uçuşa başlamak veya iniş yapmak için piste ihtiyaç duymaması ve havada asılı kalabilmesi sayesinde birçok sektörde döner kanatlı hava araçları çeşitli görevlerin icrasında kullanılmaktadır. Bu görevlerin yerine getirilmesinde döner kanatlı hava araçları doğrudan bir pilot tarafından veya uzaktan kumanda vasıtasıyla kontrol edilebilmektedir. Uzaktan kumanda aracılığıyla kontrol edilen hava araçları insansız hava aracı olarak adlandırılmakta ve bu araçlar insan faktöründen bağımsız olması sayesinde çok küçük ebatlarda üretilebilmektedir. İnsansız hava araçlarının geliştirilmesine yönelik olarak yapılan çalışmalarda hafiflik faktörüne önem verildiği ve bu amaçla topoloji optimizasyonu tekniklerinden yararlanıldığı görülmektedir. Bu çalışmada, topoloji optimizasyonu işleminin insansız hava aracı tasarımına etkileri araştırılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmada döner kanatlı insansız hava aracı için rotor kolu tasarlanmış ve sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. Topoloji optimizasyonu işlemi uygulanarak optimize edilen kol modelinin dayanım özelliklerini incelemek üzere sonlu eleman analizleri uygulanmıştır. Tasarlanan kol modelleri eklemeli imalat yöntemi kullanılarak üretilmiş ve deneyler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca çalışma kapsamında kafes yapı kullanılarak optimize edilen bir kol modeli tasarlanmış ve bu kol modelinin dayanım özellikleri ile birlikte aerodinamik özellikleri incelenmiştir. Çalışma sonucunda, topoloji optimizasyonu işlemi uygulanan yapı ağırlığının %41,5 oranında hafiflediği fakat yapıdaki gerilme değerinde %212 artış meydana geldiği ve yapıdaki maksimum yer değiştirme miktarında %153 artış meydana geldiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Thanks to the lifting force generated by the wings turned by the rotor, flying aircraft are generally called rotary wing aerial vehicle. Since they do not need a runway to takeoff or landing and can hover in the air, rotary wing aircraft are used in many sectors to perform various tasks. In performing these tasks, rotary wing aerial vehicle can be controlled directly by a pilot or by remote control. Aircraft controlled by remote control are called unmanned aerial vehicles and these vehicles can be produced in very small sizes due to their independence from the human factor. It is seen that the lightness factor is given importance in the studies conducted for the development of unmanned aerial vehicles and topology optimization techniques are used for this purpose. In this study, the effects of the topology optimization process on unmanned aerial vehicle design are investigated. In the study conducted, a rotor arm for a rotary wing unmanned aerial vehicle was designed and finite element analyses were performed. Finite element analyses were performed to examine the strength properties of the arm model optimized by applying the topology optimization process. The designed arm models were produced using the additive manufacturing method and experiments were carried out. In addition, an arm model optimized using a lattice structure was designed within the scope of the study and the strength properties and aerodynamic properties of this arm model were examined. As a result of the study, it was determined that the weight of the structure to which the topology optimization process was applied was reduced by 41.5%, but the stress value in the structure increased by 212% and the maximum displacement amount in the structure increased by 153%.