Evolutionary topology optimization of a folding missile wing for stiffness and frequency
Katlanır bir füze kanadının direngenlik ve frekans için evrimsel topoloji optimizasyonu
- Tez No: 785568
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MELİN ŞAHİN, DOÇ. DR. ERCAN GÜRSES
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 145
Özet
Bu tez, bir seyir füzesinin katlanabilir kanat yapısının topoloji optimizasyonu üzerine bir çalışma sunmaktadır. Amaç, kanadın ağırlığını en aza indirirken, direngenliğini ya da seçilen doğal frekans değerini mümkün olan en yüksek seviyede tutmaktır. Katlanabilir kanadın ağırlığı, açılma mekanizmasının performansında ve füzenin genel dinamik davranışında önemli bir etkiye sahiptir. Yaygın olarak kullanılan bir topoloji optimizasyon tekniği olan Çift-yönlü Evrimsel Yapısal Optimizasyon (BESO) yöntemi, MSC NASTRAN sonlu eleman çözücüsü ve MATLAB ile oluşturulan ortamda kanat topolojisini optimize etmektedir. Önerilen algoritma önce referans çalışmalarla doğrulanmakta ve daha sonra katlanabilir kanat yapısını optimize etmek için uygulanmaktadır. Bu çalışmada incelenen kanat yapısı, iki parçadan ve iki tasarım hacminden oluşmaktadır. Ağırlığını en aza indirmek için, farklı amaçlarla çeşitli optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. İlk amaç, direngenliği maksimize etmektir ve tasarım alanı, aerodinamik yük altında bu amaçla optimize edilmektedir. İkinci hedef, ilk doğal frekansı maksimize etmektir ve bu durum, roket motoru veya taşıyan platform gibi titreşim kaynaklarının ilgili frekansa yakın yayın yapması halinde gerekli olabilmektedir. Yapının doğal frekans değerlerinin, tahrik kaynağının frekansından uzağa kaydırılması birçok havacılık probleminde faydalı olabilmektedir. Aynı zamanda, doğal frekans değerlerinin artırılması, daha düşük deplasmanlara sahip modlara sahip olunması ile sonuçlanmaktadır ve bu önlem yapıyı hasardan korumakta ve çırpınma riskini de azaltmaktadır. Son olarak, bu tezde kanadın direngenliğinin ve doğal frekans değerlerinin gözetildiği çok amaçlı bir çalışma da paylaşılmıştır. Topoloji optimizasyonu kullanılarak, yapının doğal frekansının daha yüksek değerlere kaydırılarak aynı anda ağırlığının da azaltılması mümkün olmaktadır. Oluşturulan algoritma, konvansiyonel talaşlı imalat yöntemleriyle üretilebilen ve verimli materyal dağılımına sahip olan çeşitli yeni kanat yapılarını ortaya koymuştur. Bu yapılar birbirleriyle karşılaştırılmakta ve etkinlikleri hakkında sonuçlar çıkarılmaktadır. Sonuçlar, kullanılan algoritmanın iyileştirilmiş direngenlik ve doğal frekans değerlerine sahip oldukça verimli topolojiler elde etme kapasitesine sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca, Çift-yönlü Evrimsel Yapısal Optimizasyon (BESO) metodunun farklı parametrelerinin sonuçlanan yapılara etkisi bu tezde gösterilmektedir. Bu tez, kullanılan optimizasyon metodunun havacılık mühendisliğindeki kabiliyetlerini katlanan kanat yapısından örnekler vererek sunmaktadır. Ayrıca, tek tasarım hacmine odaklanan diğer topoloji optimizasyon çalışmalarının çoğunun aksine çoklu tasarım hacminde çalışarak literatüre yenilikçi bir katkıda da bulunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a study on the topology optimization of a folding wing structure for a cruise missile with the aim of minimizing the weight of the wing while maximizing its stiffness and/or maximizing the selected natural frequency values. The weight of the folding wing has a significant impact on the performance of the opening mechanism and the overall dynamic behavior of the missile. The Bidirectional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method, a widely-used topology optimization technique, is employed in conjunction with the MSC NASTRAN finite element solver and MATLAB to optimize the wing topology. The proposed algorithm is first validated on benchmark cases and then applied to the folding wing structure to obtain the optimized designs. The wing structure studied in this work is composed of two parts and two design volumes. In order to minimize its weight, several optimization studies are performed with different objectives. The first objective is to maximize stiffness and the design space is optimized for this purpose under the aerodynamic load. The second objective is to maximize the first natural frequency which may be necessary if there are excitation sources (such as the missile's engine or the aircraft that carries it) at that frequency. Shifting the natural frequency of the structure away from the frequency of the excitation can be useful for many aerospace-related problems. At the same time, increasing the natural frequencies results in modes of lower amplitudes and this precaution can prevent structural damage and decrease the flutter risk. Lastly, a multi-objective study on wing structure by considering its stiffness and natural frequencies is shown. By using topology optimization, it is possible to tailor the structure to shift the natural frequencies in the desired direction and reduce its weight simultaneously. The algorithm used in this thesis obtains several novel wing structures which are suitable for manufacturing using conventional chip removal methods and have efficient material distribution around the design volume. These structures are compared with each other, and conclusions are drawn about their effectiveness. Results show that the topology optimization algorithm used in this thesis is able to generate highly efficient topologies with improved stiffness and natural frequency values. Furthermore, the impact of different parameters of the Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method on the resulting structures is demonstrated in this thesis. Overall, this thesis illustrates the capabilities of the used topology optimization method in aerospace engineering by providing examples of folding wing structures and contributes a novelty to the literature by operating in multi-design domains simultaneously due to multiple components of the folding wing, while most of the studies on topology optimization only focus on single design space.
Benzer Tezler
- Çift yönlü evrimsel topoloji optimizasyonu yöntemi ile bir motor braketinin doğal frekanslarinin en iyileştirilmesi
Maximization of natural frequencies of an engine bracket with bidirectional evolutionary topology optimization method
YİĞİT OKUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET BALKAN
- Aerodynamic topology optimization of a radome using the genetic algorithm
Bir radomun genetik algoritma ile aerodinamik topoloji optimizasyonu
İLHANBERK DAYLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ADİL YÜKSELEN
- Topology design of Vlasov beam sections
Vlasov kirişlerinin topoloji tasarımı
FATİH ÇETİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜHA ORAL
- Particle based topology optimization methods foradditive manufacturing technologies
Eklemeli imalat teknolojileri için parçacık tabanlı topoloji optimizasyon yöntemleri
ABDULLAH KENDİBİLİR
Doktora
İngilizce
2024
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN KEFAL
- Bi-directional evolutionary algorithm for volume constrained topology optimization of axisymmetric solids
Eksenel sİmetrİk yapıların hacİm kısıtlamalı çİft yönlü evrİmsel algorİtmalar İle optİmİzasyonu
OĞUZ ZİYA TİKENOĞULLARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SUHA ORAL