Hava aracı kanatlarında topoloji optimizasyonu ile ağırlık azaltma
Weight reduction with topology optimization for aircraft wings
Yazar: HÜSEYİN CEM KULAK
Danışman: PROF. DR. HAKKI POLAT GÜLKAN ; PROF. DR. HASAN UMUR AKAY
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Topoloji optimizasyonu = Topology optimization

Özet:
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.

Abstract:
In aviation, weight significantly impacts aircraft performance and payload capacity. Design processes focuses on achieving lighter yet robust structures, albeit time-consuming to attain ideal geometry. Topology optimization, considering set conditions and loads, expedites finding optimal material distribution within desired geometry.
In this thesis study, topology optimization was performed using the Structural Optimization module of ANSYS software for a wing section with a NACA 0012 airfoil and a wing with a 4 m wingspan.
Geometries were modeled using 3D modeling. Then, Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses for the wing section at steady state and sea level with a speed of 100 m/s, were performed with Fluent under incompressible viscous and turbulent flow conditions. Solutions were made at seven different attack angles: -15⁰, -10⁰, -5⁰, 0⁰, 5⁰, 10⁰, 15⁰. Two different situations were designed for optimizations; First, a rigid spar was positioned in the middle of the wing sections. In the other scenario, two vertical ribs are positioned at 0.25 and 0.5 positions of the chord length. CFD analysis solutions at all angles of attack were transferred separately to the sections in these two scenarios and topology optimizations were performed for the volume ratios were 20% and 10%, respectively. Then, multi-point topology optimization was performed for these two scenarios simultaneously using seven different angles of attack. This was one aspect that differentiated this thesis study from other studies. The simultaneous use of seven different angle of attack solutions in multi-point optimization has not been found in the literature research. Additionally, there are few studies using aerodynamic load calculated with CFD solution for wing geometry.
After the wing section optimization was completed, CFD analysis of a wing with a 4 m wingspan was performed at a flow rate of 0.5 Mach, steady state and 0⁰ angle of attack. The results for the optimum geometry were examined by applying the 10% volume ratio condition for the fully loaded wing.
The research highlighted the sensitivity of topology optimization to boundary conditions and meshes, emphasizing the need for precise problem definition. Varied factors significantly impact solutions, allowing for the generation of original outcomes. Consequently, topology optimization proves highly effective in engineering designs. Its capability to yield intricate, optimal results foresees increased utilization, especially with advancing production technologies.