Biyo-esinlenmiş çırpan kanat modellerinin aeroelastik analizleri
Aeroelastic analysis of bio-inspired flapping wing models
Yazar: MÜRVET BEKTAŞ
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLER ; PROF. DR. DİLEK FUNDA KURTULUŞ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Son yıllarda, mikro teknolojideki gelişmelerle beraber Mikro Hava Araçları (MHA'lar) üzerindeki çalışmalar hız kazanmıştır. Özellikle düşük hızlarda yüksek aerodinamik verimliliğe ve yüksek manevra kabiliyetine sahip çırpan kanatlı MHA'lar, oldukça ilgi çeken bir araştırma alanı olmuştur. Çırpan kanatlı MHA'ların geliştirilmesi için doğadaki kuş ve böceklerin uçuş özelliklerinden esinlenilmiştir. Düşük Reynolds sayılarında (<104) uçan böceklerin aerodinamikleri ve kanatlarındaki farklı yapılar, biyo-esinlenmiş çırpan kanatlı MHA uygulamalarında geniş çapta ele alınmıştır. Bu tez çalışmasında ise yaban arısı ve atmaca güvesi kanatlarından esinlenilmiş üç boyutlu (3B) kanatların aerodinamik ve aeroelastik karakteristikleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Solidworks ile modellenen düz kanatlara ANSYS/SpaceClaim ile damar yapıları eklenmiş ve ANSYS/Meshing ile ağ yapıları oluşturulmuştur. Akışkan analizinde ANSYS/Fluent kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi ile 3B, sıkıştırılamaz, laminer, zamandan bağımsız ve zamana bağlı Navier-Stokes denklemleri çözülmüştür. Yapısal analizde ANSYS/Mechanical APDL kullanılarak sonlu elemanlar (SE) yöntemiyle yer değiştirme hesaplamaları yapılmıştır. Akışkan-yapı etkileşimi (AYE) analizi için ANSYS/System Coupling ile HAD ve SE analizleri eş-zamanlı gerçekleştirilmiştir. 
Literatürdeki çalışmalara bakıldığında, ileri uçuşta zamandan bağımsız aerodinamik kuvvetlere böcek kanadının statik tepkisi ve havada asılı kalma durumunda zamana bağlı aerodinamik kuvvetlere böcek kanadının dinamik tepkisi ayrıntılı olarak incelenmemiştir. Bu tezin amacı, öncelikle zamandan bağımsız HAD analizinden elde edilen aerodinamik kuvvetleri basınç yükü şeklinde SE çözücüsüne aktararak kanatların tek-yönlü AYE simülasyonlarını gerçekleştirmektir. Cuticle, alüminyum alaşım Al-6061 ve titanyum alaşımı Ti-6Al-4V gibi farklı malzemelerdeki kanatların çeşitli hücum açılarında (α=0°–90°) basınç yüklerine karşı verdikleri statik aeroelastik tepkiler karşılaştırılmıştır. Zamandan bağımsız HAD analizinde atmaca güvesi kanadının daha verimli olduğu ve α=5°'de kanatların maksimum aerodinamik verimliliğe ulaştığı bulunmuştur. Tek-yönlü AYE analizinde maksimum uç sehiminin α=90°'deki kanatlarda daha fazla olduğu görülmüştür. Mevcut çalışmanın diğer bir amacı, havada asılı kalma durumu için atmaca güvesi kanadından esinlenilmiş 3B, esnek olmayan kanat modelinin zamana bağlı aerodinamik karakteristiklerini gözlemlemektir. Bu kapsamda kanat çırpma frekansı, vuruş genliği, vuruş düzlemi açısı gibi çeşitli kinematik parametrelerin havada asılı uçuş boyunca aerodinamik kuvvetlere etkileri incelenmiştir. Saf-dalma hareketi ile kanada çırpma hareketi sağlamak amacıyla kullanıcı-tanımlı fonksiyon (UDF) kullanılarak sinüzoidal hareket tanımlanmıştır. Zamana bağlı HAD analizinde ortalama dikey aerodinamik kuvvetin yüksek frekans, yüksek vuruş genliği ve düşük vuruş düzlemi açısı için maksimum olduğu bulunmuştur. Sayısal analizlerden elde edilen sonuçlar hem ağ yapısı ve zaman adımı iyileştirme çalışmalarındaki sonuçların yakınsanabilirliği ile hem de literatürdeki mevcut verilerin bulunan sonuçlarla karşılaştırılması ile doğrulanmıştır. Bu tezin asıl amacı, yapılan analizlerden uygun kanat malzemelerini ve kinematik parametreleri seçerek, havada asılı durumdaki atmaca güvesi kanadından esinlenilmiş farklı kanat yapılarının (düz-ön kanat, damarlı-ön kanat, rijit kanat, esnek kanat) dinamik aeroelastik tepkilerini detaylı bir şekilde karşılaştırmaktır. İki-yönlü AYE simülasyonlarında özellikle cuticle malzemeli damarlı kanadın dikey aerodinamik kuvveti oldukça artırdığı görülmüştür.

Abstract:
In recent years, the studies on Micro Air Vehicles (MAVs) have increased together with the advances in microtechnology. Especially, flapping-wing MAVs with both the high aerodynamic efficiency in low velocities and the high manoeuvring capability have become a very remarkable research area. The flight characteristics of the birds and insects in nature have led the development of flapping-wing MAVs. The aerodynamics of the insects flying at low Reynolds numbers (<104) and the different structures in their wings have been widely considered in the applications of bio-inspired flapping-wing MAVs. In this thesis study, the aerodynamic and aeroelastic characteristics of the three dimensional (3D) wings inspired by the bumblebee and hawkmoth wings are investigated in detail. The flat wings are modelled by Solidworks, and the vein structures are added to the flat wings by ANSYS/SpaceClaim. Then, the mesh structures are generated by ANSYS/Meshing. In the fluid-flow analysis; 3D, incompressible, laminar, steady, and unsteady Navier-Stokes equations are solved with the computational fluid dynamics (CFD) method by using ANSYS/Fluent. In the structural analysis, the displacement calculations are done with the finite element (FE) method by using ANSYS/Mechanical APDL. The CFD and FE analyses are simultaneously performed by ANSYS/System Coupling for the fluid-structure interaction (FSI) analysis. 
When the studies in the literature are reviewed, the static response of the insect wing to the steady aerodynamic forces in forward flight and the dynamic response of the insect wing to the unsteady aerodynamic forces in hover have not been investigated in detail. This thesis primarily aims to simulate the one-way FSI of the wings by transferring the aerodynamic forces obtained from the steady-state CFD analysis into the FE solver as a pressure load. The static aeroelastic responses of the wings to the pressure loads at various angles of attack (α=0°–90°) are compared for different materials such as cuticle, aluminium alloy Al-6061, and titanium alloy Ti-6Al-4V. It has been found from the steady-state CFD analysis that the hawkmoth wing has higher aerodynamic efficiency and the wings reach the maximum aerodynamic efficiency at  α=5°. It has been seen from the one-way FSI analysis that the maximum tip deflections reach to peak for the wings at α=90°. Another purpose of the current study is to observe the unsteady aerodynamic characteristics of the 3D, rigid wing model inspired by the hawkmoth wing in hover. In this scope, the effects of various kinematic parameters such as wingbeat frequency, stroke amplitude, and stroke plane angle on the aerodynamic forces during hovering flight are investigated. The sinusoidal motion is provided by using a user-defined function (UDF) in order to flap the wing with the pure-plunge motion. It has been found from the unsteady CFD analysis that the mean vertical aerodynamics force is maximum for the high wingbeat frequency, high stroke amplitude, and low stroke plane angle. The results obtained from the numerical analysis are verified with both the convergency of the results in the mesh and time-step refinement studies and the comparison of the results with the data available in the literature. The main purpose of this thesis is to select the suitable wing materials and kinematic parameters from the analyses done and to clearly compare the dynamic aeroelastic responses of the different wing structures inspired by the hawkmoth wing (flat-forewing, veined-forewing, rigid wing, flexible wing) in hover. It is seen from the two-way FSI simulations that the veined-wing with the cuticle material increases the vertical aerodynamic force more.