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
- İktidar baskı birey ilişkilerinin bir bağlam olarak 1960 sonrası çağdaş seramik uygulamalarına yansımaları
The reflections of power domination individual relations towards the paractises of contemporary ceramics after the 1960s
ÖZGE BİLTEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Güzel SanatlarAkdeniz ÜniversitesiSeramik ve Cam Tasarımı Ana Sanat Dalı
YRD. DOÇ. KEMAL TİZGÖL
- Mısır'da devrim ve karşı - devrim sürecinde iç ve dış aktörlerin rolü: 2011 - 2015
The role of domestic and external actors in the Egyptian revolution and counter - revolution: 2011 - 2015
İSMAİL NUMAN TELCİ
Doktora
Türkçe
2015
SosyolojiSakarya ÜniversitesiUluslararası İlişkiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEMAL İNAT
- Genişletilmiş Gauss-Bonnet kuramında kozmolojik genişleme problemi ve entropinin doğası
Cosmological expansion problem and the nature of entropy in extended Gauss-Bonnet gravity
ALİ İHSAN KESKİN
Doktora
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiDicle ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN AÇIKGÖZ
- Route generation algorithms for public transit network design
Toplu taşıma ağı tasarımı için rota üretim algoritmaları
FATİH KILIÇ
Doktora
İngilizce
2015
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolÇukurova ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA GÖK