Uçak Kanatları için HAD ile Birleştirilmiş Yapısal Topoloji Optimizasyonu

Abstract

In aviation, weight is crucial for aircraft performance and payload capacity. Traditional design methods, which rely on trial and error, aim to create lightweight and strong structures but can be time consuming. Topology optimization, a mathematical technique, speeds up finding the optimal material distribution within a given shape under specific loads and conditions. This study employed ANSYS's CFD and Structural Optimization modules for the topology optimization of a NACA 0012 airfoil wing section under various conditions. The CFD module provided aerodynamic loads to the structural topology optimization module. The study analyzed both 2D and 3D geometries under different conditions, including single-point and multi-point optimizations for 2D sections with varying angles of attack, which provided useful comparisons. For the 3D test case, CFD analysis and topology optimization were performed on a rectangular wing at an inflow speed of 0.5 Mach and a 0⁰ angle of attack. Such combined structural and flow analysis is rare in the literature. This research provides new insights, highlighting the sensitivity of topology optimization to boundary conditions and computational meshes. Despite challenges from complex geometries, this approach is expected to grow in popularity, especially with advanced production methods like 3D printing and additive manufacturing.

Havacılıkta ağırlık, uçuş performansı ve taşıma kapasitesi açısından kritik bir parametredir. Geleneksel deneme-yanılma esasına dayanan tasarım yaklaşımları, hafif ve dayanıklı yapıların elde edilmesini amaçlasa da, bu yöntemler zaman ve kaynak açısından maliyetli olabilmektedir. Matematik temelli bir yöntem olan topoloji optimizasyonu, belirli yükleme ve sınır koşulları altında tanımlı bir hacim içerisinde optimum malzeme dağılımını tespit etme sürecini hızlandırmaktadır. Bu çalışmada, NACA 0012 profiline sahip bir kanat kesitinin çeşitli akış ve yapısal koşullar altındaki topoloji optimizasyonu, ANSYS yazılımının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) ve Yapısal Optimizasyon modülleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. CFD analizleri, yapısal optimizasyona aerodinamik yük verisi sağlamış ve eş zamanlı bir değerlendirme yapılmasına olanak tanımıştır. Hem iki boyutlu hem de üç boyutlu modeller, farklı hücum açıları altında, tek ve çok noktalı optimizasyon senaryolarıyla analiz edilmiştir. Elde edilen bulgular, karşılaştırmalı değerlendirmeler açısından anlamlı sonuçlar sunmuştur. Üç boyutlu analizde ise, 0.5 Mach hızında ve 0⁰ hücum açısında dikdörtgen bir kanat üzerinde yapı optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu tür bütünleşik analizler literatürde sınırlı sayıda yer almakta olup, bu çalışma, topoloji optimizasyonunun sınır koşullarına ve ağ hassasiyetine olan duyarlılığını ortaya koyarak, ileri üretim teknolojileri bağlamında önemli katkılar sunmaktadır.