Geri Dön

Ballistically launchable shape shifting 3D printed multi-rotor unmanned aerial vehicle design and foldable arms analysis

Balistik olarak fırlatılabilir şekil değiştiren 3B baskılı çok rotorlu insansız hava aracı tasarımı ve katlanabilir kolların analizi

  1. Tez No: 855254
  2. Yazar: MEHMET ZEKİ PAŞAOĞLU
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ KAAN YILDIZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Aeronautical Engineering, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

Günümüz teknolojisinin hızla ilerlemesiyle birlikte, İnsansız Hava Araçları (İHA), askeri, sivil ve ticari alanlarda önemli bir role sahip olmaya başlamıştır. Özellikle askeri operasyonlarda, istihbarat, gözetleme ve keşif amaçları için kullanılan İHA'lar, insan hayatını koruma amacıyla geliştirilen etkin bir teknoloji olarak dikkat çekmektedir. Bu alanlarda kullanılan araçlar genellikle sabit veya döner kanatlı yapıdadır ve kolları ya sabit bir şekilde gövdeye monte edilir ya da elle katlanabilir ve açılabilir özelliktedir. Ancak, elle katlama, pervane ve batarya montajı gibi hazırlık süreçleri, acil durumlarda zaman kaybına yol açabilir. Özellikle kritik durumlarda hızlı müdahale gerektiğinde, bu tür ön hazırlık süreçlerinin uzunluğu, acil durum tepkisinin etkinliğini azaltabilir ve olumsuz sonuçlar doğurabilir. Bu tez çalışması, bu tür sorunları gidermek amacıyla, kolları katlanarak bir tüpe sığabilen ve tüp içinde balistik olarak fırlatılmaya hazır bekleyen bir İHA tasarımını ele almaktadır. Yapılan araştırmalar sonucunda, İHA üretimi için en uygun metodoloji belirlenmiş ve malzeme seçimi için testler yapılmıştır. Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) yazılımı Solidworks kullanılarak modellemesi yapılan İHA, kolları katlanarak bir fırlatma tüpüne sığabilecek şekilde tasarlanmıştır. Üretim ve montaj işlemleri tamamlandıktan sonra İHA, balistik fırlatma testlerine tabi tutulmuştur. 'Balistik İHA (BAL-İHA)' olarak adlandırılan bu dron, balistik fırlatıldıktan sonra güçsüz uçuş esnasında hava akışından kaynaklanan distorsiyonlara hızla tepki verebilmek ve uçuş sırasında pozisyon kontrolünü sağlamak için motorlarını tam güçte çalıştırabilmektedir. Dron üzerinde etki eden kuvvetler düşünüldüğünde, dronu taşıyan kollara en fazla kuvvet, motorların tam güçte çalıştığı durumda uygulanmaktadır. Bu faktörleri göz önünde bulundurarak, BAL-İHA'nın motor ve pervaneleri tarafından üretilen itki kuvvetini dronu taşımak için kullanan tasarımın tek hareketli parçası olan orijinal kol tasarımının doğrulaması ve alternatif tasarımlarla iyileştirmeler yapılması amacıyla ABAQUS programı kullanılarak Yapısal Sonlu Eleman Analizi uygulanmıştır. Kol tasarımlarının sertlik/ağırlık oranını optimize etmek için yapılan geometrik değişiklikler ve kalınlık azaltmaları topoloji optimizasyonu yöntemi ile doğrulanmıştır. Son olarak, tüm kol tasarımları ve bunların değişen kalınlıkları dikkate alınarak, en optimum tasarımın belirlenmesi için sertlik/kütle oranı ve yapısal elemanların birim kütlesi başına sundukları eğilme dirençleri değerlendirilmiştir. Ayrıca, kol tasarımlarının güvenli çalışma aralıklarını belirlemek için emniyet gerilme katsayıları hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda, BAL-İHA'nın kol tasarımında önemli iyileştirmeler yapılarak hem dronun toplam ağırlığında azalma sağlanmış hem de farklı kol tasarımlarıyla sertliği artırılmıştır. Bu çalışma tezin aşamalarını anlatan beş bölümden oluşmaktadır. Özetin devamında, bölümlerin içerikleri kısaca anlatılacaktır. Birinci bölüm, İHA'ların insan hayatına sağladığı avantajlara ve kullanım alanlarına genel bir girişle başlamaktadır. İHA'ların sabit kanatlı ve döner kanatlı olmak üzere iki ana kategoriye ayrıldığı ve her iki türün kendi içinde sahip olduğu avantajlar ile dezavantajlar detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu bölümde, İHA'ların uçuş öncesi hazırlık süreçlerinin acil durumlar sırasında zaman kaybına neden olabileceği ele alınmıştır. Bu sorunları çözmek amacıyla, kolları katlanarak bir tüpe sığabilen ve tüp içinde balistik olarak fırlatılmaya hazır halde bekleyen yeni tip dronlar üzerindeki çalışmaların başlatıldığı belirtilmiştir. Ayrıca, literatür taramasında, bu bağlamda gerçekleştirilen çalışmalar incelenmiş, özellikle kompleks geometrilerin üretiminde kolaylık sağlayan ve hızlı prototip üretimini destekleyen bir üretim yöntemi olan eklemeli imalat teknolojisi kullanılarak ilk prototipleri üretilen balistik fırlatma yeteneğine sahip dronlar üzerinde çalışılmaya başlandığı görülmüştür. Birinci bölüm, tezin amacını net bir şekilde ifade eden bir alt başlıkla tamamlanmaktadır. Tezin ikinci bölümü, BAL-İHA'nın tasarım ve prototipleme süreçlerine yoğunlaşmaktadır. Bu bölümde ilk olarak, BAL-İHA'nın üretimi için en uygun metodolojinin belirlenmesi ve bu metodolojinin geleneksel üretim yöntemlerine göre sunduğu avantajlar ele alınmıştır. Ardından, üretimde kullanılabilecek malzemeler değerlendirilmiş ve bu malzemelerin seçimini doğrulamak için çekme testleri yapılarak sonuçlar sunulmuştur. Malzeme seçiminden sonra mekanik tasarım süreci detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Bu kısımda tasarım yapılırken nelere dikkat edildiği ve hangi gereksinimler doğrultusunda tasarımların gerçekleştirildiği verilmiştir. Bütün mekanik parçaların tasarımları tek tek anlatılmış ve nasıl montajlanması gerektikleri sunulmuştur. Katlanabilir kol tasarımının ve açılma mekanizmasının nasıl olacağı anlatılmıştır. Açılma mekanizması için tasarlanan yay tasarımının sağlayacağı avantajlardan bahsedilmiştir. Motor seçimi ve bu seçim sürecinde dikkate alınan faktörler, gerçekleştirilen itki testleri ve bu testlerin sonuçları detaylandırılmıştır. Ayrıca, itki test sonuçlarına dayanarak tahmini uçuş süresinin hesaplanması da bu bölümde yer almaktadır. Bölümün son kısmında, BAL-İHA'nın fırlatma aşaması için gerekli olan uçuş adımları ve bu adımların detaylı açıklamaları sunulmuştur. Bu bölüm, BAL-İHA'nın tasarım ve prototipleme sürecinin her aşamasına derinlemesine bir bakış sağlamakta ve tezin bu konudaki kapsamlı çalışmasını yansıtmaktadır. Tezin üçüncü bölümünde, BAL-İHA'nın orijinal kol tasarımı ve alternatif olarak geliştirilen tasarımlar üzerinde gerçekleştirilen Sonlu Elemanlar Analizleri ve Topoloji optimizasyonu çalışmaları ele alınmaktadır. Bu bölümde, ilk olarak orijinal ve alternatif kol tasarımlarının geometrik özellikleri ve teknik çizimleri sunulmuştur. Kol tasarımının, eksenel ve eğilme yüklerine en çok maruz kalan bölümlerine odaklanarak yapılan geometrik değişiklikler incelenmiştir. Analiz süreçlerinde, yükleme ve sınırlandırma koşullarının nasıl belirlendiği ve dron kolunun karşılaşabileceği maksimum yükün nasıl hesaplandığı detaylandırılmıştır. Sonlu elemanlar modelinin oluşturulmasında kullanılan eleman tipinin seçimi, çözüm ağı oluşturma tekniği ve bu tekniklerin uygulanma süreçleri açıklanmıştır. Ayrıca, doğru çözüm ağı oluşturabilmek için tasarımın hangi kısımlardan ayrıldığı anlatılmıştır. Çözüm ağı yakınsama analizinin gerçekleştirilme şekli ve bu analizin tutarlı sonuçlar elde etmek için nasıl yapıldığı üzerinde durulmuştur. Son olarak, kol tasarımlarının maksimum yükleme koşullarında sertlik/ağırlık oranını optimize etmek için yapılan geometrik değişiklikler ve kalınlık azaltmalarının topoloji optimizasyonu çalışması ile nasıl doğrulandığı anlatılmıştır. Bu bölüm, BAL-İHA'nın orijinal kol tasarımını ve alternatif tasarımlarının analiz ve optimizasyon süreçlerini derinlemesine ele alarak, tasarımların nasıl daha etkili hale getirildiğine dair önemli bilgiler sunmaktadır. Dördüncü bölümde, BAL-İHA'nın orijinal kol tasarımı ve alternatif olarak geliştirilen kol tasarımlarının analiz sonuçları karşılaştırmalı bir şekilde sunulmuş ve bu sonuçlar detaylı bir şekilde değerlendirilmiştir. İlk olarak, çözüm ağı yakınsama analizlerinin sonucunda elde edilen Von Mises gerilmeleri arasındaki hata payları incelenerek çözüm ağının yakınsamasına dair sonuçlar verilmiştir. Ardından, orijinal kol tasarımına ait Von Mises gerilme değerleri ve maksimum yer değiştirme değerleri sunulmuştur. Bu sonuçlara dayanarak, orijinal kol tasarımının emniyet gerilmesi hesaplanmış ve tasarımın indirgenebileceği maksimum kalınlık tespit edilmiştir. Ayrıca, bu sonucun dronun ağırlığına sağlayacağı avantajlar da ele alınmıştır. Ardında alternatif tasarımlar üzerinde yapılan analizlerin Von Mises gerilme değerleri ve maksimum yer değiştirme değerleri sunulmuş, kalınlığın gerilme ve yer değiştirme üzerindeki etkileri grafiksel olarak karşılaştırılmıştır. Tasarımlarda yapılan geometrik değişiklikler ve kalınlık azaltmalarının sonuçları, topoloji optimizasyonu sonuçlarıyla kıyaslanarak tasarımların doğruluğu kanıtlanmıştır. Tüm tasarımlar için emniyet gerilme katsayıları hesaplanmış ve belirlenen değerin altında olan tasarımların güvenli olmadığı belirtilmiştir. Geometrileri değişen ve kalınlıkları azaltılan tasarımların kütleleri verilmiş ve bunların sertlikleri ile eğilme rijitlikleri hesaplanmıştır. Son olarak, bu hesaplamalar sonucunda tasarımların sertlik/kütle ve eğilme rijitliği/kütle oranları açısından performansları değerlendirilerek en iyi performansı gösteren tasarım belirlenmiştir. Tezin beşinci ve son bölümünde, çalışmanın elde ettiği sonuçlar kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiş ve geleceğe dönük çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur. Yapılan değerlendirmeler sonucunda, katlanabilir kolları sayesinde bir fırlatma tüpüne yerleştirilebilen ve sabit veya hareketli platformlardan fırlatıldıktan sonra şekil değiştirerek kararlı uçuşa geçebilen, acil durumlarda ön hazırlık gerektirmeden görevlerini yerine getirebilen balistik fırlatma yeteneğine sahip bir dron tasarımı başarıyla geliştirilmiştir. Özellikle, dronun maksimum itki üretmesi durumunda en kritik bileşeni olan kol tasarımı üzerinde yapılan önemli iyileştirmeler sayesinde en optimum kol tasarımı elde edilmiştir. Bu bölümde, ayrıca ilerleyen dönemlerde dronun diğer mekanik bileşenlerinin performansını artırmaya yönelik çalışmaların yapılması planlandığı ve uçuş süresinin uzatılarak daha uzun mesafelerde görev yapabilmesi hedeflendiği belirtilmiştir. Bu öneriler, BAL-İHA'nın uygulama alanlarını genişleterek ve operasyonel kapasitesini artırarak gelecekte daha etkin bir şekilde kullanılmasına olanak sağlayacak çalışmaları içermektedir.

Özet (Çeviri)

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have started to play a significant role in military, civil, and commercial sectors with the rapid advancement of modern technology. Particularly in military operations, UAVs used for intelligence, surveillance, and reconnaissance purposes are emerging as an effective technology developed to protect human life. The vehicles used in these areas are typically fixed-wing or rotary-wing and their arms are either rigidly attached to the body or can be manually folded and unfolded. However, manual processes such as folding, propeller and battery installation can lead to time loss in emergency situations. Especially in critical situations where rapid response is required, the length of these preparatory processes can diminish the effectiveness of emergency response and lead to adverse outcomes. This thesis addresses the problem by exploring a UAV design whose arms can fold to fit inside a tube and stand by for ballistic launch within the tube. The research identified the most suitable methodology for UAV production and conducted tests for material selection. The UAV, modeled using SolidWorks' CAD software, is designed to have foldable arms that fit into a launch tube. After production and assembly, ballistic launch tests of the UAV were performed. This drone, referred to as the 'Ballistic UAV (BAL-UAV),' can operate its motors at full thrust to rapidly respond to aerodynamic distortions during unpowered flight and maintain position control. Considering the forces acting on the drone, the maximum force on the arms carrying the drone occurs when the motors operate at full thrust. Thus, Structural Finite Element Analysis (FEA) using ABAQUS was applied to validate the original arm design- the only moving parts of the design- which carries the thrust forces generated by the motors and propellers and to make improvements with alternative designs. Geometric changes and thickness reductions made to optimize the stiffness-to-mass ratio of the arm designs were verified through topology optimization methods. Finally, considering all arm designs and their varying thicknesses, the most optimum design was determined by evaluating the stiffness-to-mass ratio and bending resistance per unit mass of the structural elements. Safety factors were also calculated to determine the safe operating ranges of the arm designs. As a result of these calculations, significant improvements were made to the arm design of the BAL-UAV, reducing the total weight of the drone, and increasing stiffness with different arm designs. This study includes five sections, each outlining the stages of the thesis. In the continuation of the summary, the contents of these sections will be briefly described. The first section begins with a general introduction to the advantages and applications of UAVs in human life. It details how UAVs are categorized into two main types: fixed-wing and rotary-wing, and thoroughly examines the advantages and disadvantages inherent to each type. This section addresses the issue of time loss during pre-flight preparations in emergency situations with UAVs. To solve these problems, the initiation of work on a new type of drone, which can fold its arms to fit into a tube and is ready for ballistic launch within the tube, is mentioned. Additionally, the literature review explores studies in this context, highlighting the use of additive manufacturing technology for producing initial prototypes of drones capable of ballistic launch, a method that facilitates the production of complex geometries and supports rapid prototyping. The first section concludes with a subtitle clearly stating the objective of the thesis. The second section of the thesis concentrates on the design and prototyping processes of the BAL-UAV. Initially, this section discusses the determination of the most suitable methodology to produce the BAL-UAV, highlighting the advantages of this methodology over traditional manufacturing methods. Subsequently, potential materials for production are evaluated, and tensile tests are conducted to validate the choice of materials, with results presented. After material selection, the mechanical design process is explained in detail. This part outlines the considerations during the design process and the requirements that guided the designs. The designs of all mechanical parts are described individually, along with their assembly instructions. The foldable arm design and unfolding mechanism are explained, and the advantages offered by the designed spring mechanism for unfolding are discussed. The selection of motors and factors considered in this process, along with the conducted thrust tests and their results, are detailed. Additionally, the estimation of flight duration based on the results of the thrust tests is included in this section. The final part of the section presents the necessary flight steps for the launch phase of the BAL-UAV, with detailed explanations of these steps. This section provides an in-depth look at every stage of the BAL-UAV's design and prototyping process, reflecting the comprehensive work of the thesis on this subject. The third section of the thesis addresses the FEA and Topology Optimization studies conducted on the BAL-UAV's original arm design and the alternative designs developed. This section initially presents the geometric properties and technical drawings of both the original and alternative arm designs. It examines the geometric changes focused on the parts of the arm design most subjected to axial and bending loads. The process of determining the loading and boundary conditions is detailed. The selection of the element type for creating the finite element model, the mesh generation technique, and the implementation of these techniques are explained. Additionally, the section describes how the design was segmented to create an effective solution mesh. The approach to conducting the mesh convergence analysis and how it was performed to obtain consistent results is emphasized. Finally, the section discusses how the geometric changes and thickness reductions made to optimize the stiffness-to-mass ratio under maximum loading conditions for the arm designs were validated through a topology optimization study. This section thoroughly addresses the analysis and optimization processes of the BAL-UAV's original arm design and alternative designs, providing significant insights into how the designs were made more effective. In the fourth section, a comparative presentation of the analysis results for the BAL-UAV's original arm design and the alternative designs is provided in detail. Initially, the error margins between the Von Mises stresses obtained from the mesh convergence analyses are examined, presenting conclusions about the convergence of the solution mesh. Subsequently, the Von Mises stress values and maximum displacement values for the original arm design are presented. Based on these results, the safety factor of the original arm design is calculated, and the maximum reducible thickness is determined. The benefits of this result on the drone's weight are also discussed. Then, the Von Mises stress values and maximum displacement values for the alternative designs are presented, with the effects of thickness on stress and displacement being compared graphically. The results of the geometric changes and thickness reductions in the designs are compared with the topology optimization results, validate the accuracy of the designs. The factor of safety for all designs are calculated, and designs below the determined safety factor value are identified as unsafe. The masses of the designs with altered geometries and reduced thicknesses are given, and their stiffness and bending rigidity are calculated. Finally, these calculations are used to evaluate the performances of the designs in terms of stiffness-to-mass and bending rigidity-to-mass ratios, identifying the design with the best performance. In the fifth and final section of the thesis, the outcomes of the study are comprehensively evaluated, and suggestions for future work are proposed. The evaluations conclude that a drone design capable of ballistic launch, which can be placed into a launch tube with its foldable arms and transition into stable flight after being launched from stationary or mobile platforms, has been successfully developed. This drone design can perform its tasks in emergencies without the need for preliminary preparations. Particularly, significant improvements made to the arm design, which is a critical component when the drone generates maximum thrust, have led to the optimum arm design. The section also notes plans for future work to enhance the performance of other mechanical components of the drone, aiming to extend flight duration and enable the drone to operate over longer distances. These recommendations encompass studies that would expand the application areas of the BAL-UAV and increase its operational capacity, enabling more effective use in the future.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    494958

    Elektrokimyasal yöntemle krom kaplanmış tabanca parçalarının NATO test performanslarının incelenmesi

    Investigation of NATO test performance of chromium plated pistol parts with electrochemical method

    YUSUF NESİL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Savunma ve Savunma TeknolojileriGiresun Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN ADATEPE

  2. Tez No

    882828

    Zırh çeliğinin kaynak sonrası mekanik ve balistik özelliklerinin incelenmesi

    Inspection of mechanical and ballistic properties of armor steel after welding

    SERKAN KEÇE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Metalurji MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAYRİYE ERTEK EMRE

  3. Tez No

    123359

    Ateş yer tespit radarında kalman filtresi uygulaması

    Kalman filter applications in fire locating radar

    MEHMET ÇOLAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. YAKUP ÖZKAZANÇ

  4. Tez No

    798031

    Boşluklu bir zırhın balistik performansının incelenmesi

    Investigation of ballistic performance of a armour as hollow

    AYŞEGÜL SENCU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiManisa Celal Bayar Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SAİM KURAL

  5. Tez No

    346519

    İşlevsel derecelendirilmiş bor karbür takviyeli AA7075 esaslı kompozitlerin 7,62 mm'lik zırh delici mermiler karşısındaki balistik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation on the ballistic performance of functionally graded boron carbide reinforced AA7075 matrix composites against 7,62 mm armour piercing projectiles

    BERTAN SARIKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Mühendislik BilimleriTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NECİP CAMUŞCU

Geri Dön