Jig shape optimization for desired shape of a high-altitudelong-endurance class unmanned aerial vehicle underaeroelastic effects
Hale sınıfı bir ınsansız hava aracının aeroelastik etkileraltında hedeflenen şekle ulaşmak için jig şeklioptimizasyonu
- Tez No: 873252
- Danışmanlar: PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Havacılık alanı sürekli olarak gelişiyor ve teknolojinin ilerlemesiyle sağlam bir temel oluşturmuştur. Hava araçlarını günlük yaşama entegre etme isteği, hava aracı tasarım ve üretim süreçlerini hızlandırmıştır. Sivil havacılıkta, hava araçları yakıt maliyetlerini azaltma, uzun mesafelere uçma ve maksimum yolcu taşıma amacıyla tasarlanır ve üretilir, çünkü bunlar kâr amacı güden işletmelerdir. Askeri alanda ise daha hızlı uçma, yüksek irtifalara çıkma ve silah ve füzeler taşıma gibi özellikler önemlidir. Bu gereksinimlerin karşılanması, hava aracının güç sistemleri, yapıları ve aerodinamiğinin en verimli şekilde tasarlanmasıyla mümkündür. Motor tasarımı bu tezin kapsamı dışında olduğu için, tez aerodinamik ve yapısal tasarıma odaklanmaktadır. Hava araçlarını daha hafif yaparak daha yüksek performans elde etme isteği artmıştır. Malzeme teknolojisinin ilerlemesiyle, daha güçlü ve daha hafif havacılık malzemeleri geliştirilmiştir. Bu malzemeler, çok hafif oldukları için geleneksel malzemelere göre daha esnek yapıya sahiptirler. Bu malzemelerle üretilen hava araçları, geleneksel malzemelerle üretilenlere göre %30 daha hafif olmaktadır. Doğal olarak, daha hafif bir hava aracı daha yüksek performansa sahip olacaktır; ancak, elastik etkiler performansını etkileyecektir. Bu hafiflemenin bir bedeli olarak, hava aracındaki aeroelastik etkiler daha detaylı bir şekilde incelenmelidir. Aeroelasticity alanı, atalet, elastik ve aerodinamik kuvvetlerin bir arada çözülmesini amaçlar. Hava araçları daha esnek hale geldikçe bu alanın popülaritesi artmakta ve hava aracı tasarım topluluğunun ilgisini çekmektedir. Aeroelasticity genellikle statik aeroelasticity ve dinamik aeroelasticity olmak üzere iki ana kategoriye ayrılır. Statik aeroelasticity örnekleri arasında kontrol ters dönüşü, etkililik ve ayrışma yer alırken; dinamik aeroelasticity örnekleri arasında buzz, buffet, gust ve flutter yer alır. Hava aracı tasarım sürecinde, ön tasarım aşamasında konsept tasarım belirlendikten sonra, tasarım süreci aerodinamikçilerin dış geometri tasarımı üzerinde çalışmalarıyla başlar. Aerodinamik açıdan optimize edilmiş bir kanat tasarlanır. Bu aerodinamik açıdan optimize edilmiş kanat, daha sonra yapısal mühendislere teslim edilerek belirli üretim toleranslarıyla üretilir. Bu üretim toleransları, hava aracının dış yüzeyinin optimize edilmiş tasarımdan biraz sapmasına neden olur. Özetlemek gerekirse, aerodinamik açıdan mükemmel şekilde optimize edilmiş geometri ile üretilen geometri arasında farklar vardır. Bu farklar, hesaplanan performans değerleri ile üretilen geometrinin gerçek performans değerleri arasında uyumsuzluklara neden olur. Elastik etkilerden kaynaklanan kayıp bu farka eklenirse, aerodinamik performans değerleri önemli ölçüde azalacaktır. Bir hava aracının dış geometrisi dinamik, yaşayan bir döngüdür. Tasarımdan üretime kadar birçok değişiklik geçirir. Bu dış şekiller genellikle iki gruba ayrılır: teorik şekiller ve pratik şekiller. Teorik şekillere örnek olarak 1G uçuş şekli, jig şekli ve mühendislik şekli verilebilir. Pratik şekillere örnek olarak ise imalat şekli, park etme şekli, gerçek uçuş şekli ve operasyon şekli verilebilir. Bu çalışmanın amacı, hava aracı tasarım sürecinin ön tasarım aşamasında çok disiplinli bir yaklaşımı dahil ederek daha etkili bir tasarım yapmaktır. Hava aracı tasarım süreçlerinde zaman baskısı olduğundan, tasarımcılar genellikle zor ve maliyetli analizlerden kaçınırlar. Bu çalışma, çok disiplinli analizi ön tasarım aşamasına hızlı bir şekilde dahil edebilecek bir yöntem önermektedir. Bu çalışmada, HALE sınıfı bir insansız hava aracı olan RQ-4 Global Hawk seçilmiştir. RQ-4 Global Hawk'ın seçilme nedeni, çok büyük aspect ratio değerine sahip olmasıdır, bu da elastik etkileri daha belirgin hale getirir. Bu nedenle RQ-4 Global Hawk tercih edilmiştir. İlk olarak, literatürde bulunan RQ-4 Global Hawk için mevcut nokta bulutu verisi alınmıştır. Python dilinde yazılmış bir kod kullanılarak bu nokta bulutunu oluşturabilen yapılandırılmış bir ağ oluşturulmuştur. RQ-4 Global Hawk'ın yapılandırılmış ağıyla, ZONAIR aerodinamik modeli kurulmuştur. ZONAIR, yüksek düzeyde bir panel tekniği kullanarak 3 boyutlu bir panel yöntemidir. RQ-4 Global Hawk için ZONAIR aerodinamik modeli kurulduktan sonra, RQ-4 Global Hawk'ın uçuş verileri kullanılarak doğrulanmıştır. RQ-4 Global Hawk, başarılı bir aerodinamik model olarak kanıtlanmıştır. Aynı mesh noktaları, RQ-4 Global Hawk'ın yapısal modeli için de kullanılmıştır. Malzeme yoğunluğu, RQ-4 Global Hawk'ın gerçek hayattaki ağırlığına göre girilmiştir. Ağırlık dağılımı, RQ-4 Global Hawk'ın bileşenlerinin hacimlerine orantılı olarak yapılmıştır. RQ-4 Global Hawk'ın FEM modeli kompozit malzemelerle modellenmiş ve literatürde bulunan sertlik değerleri kullanılarak oluşturulmuştur. RQ- 4 Global Hawk'ın FEM modelinin modal analizi yapılmış ve kanat ile ilgili doğal modlar ve frekanslar belirlenmiştir. RQ-4 Global Hawk hava aracının ZONAIR aerodinamik modeli ve FEM modeli hazırlandıktan sonra ZONAIR modeli aero-yapısal bağlantı için hazır hale getirilir. Belirli Mach numaraları ve saldırı açıları için RQ-4 Global Hawk'ın hem rijit (istenen) hem de elastik (uçuş şekli) sonuçları elde edilir. RQ-4 Global Hawk'ın bir subsonik uçak olması nedeniyle seçilen hücum açıları ve Mach numaraları grafiklerde lineer değerler gösterir. Bu durum, bir tasarım noktasını aeroelastik olarak iyileştirmenin diğer tasarım noktalarını da otomatik olarak iyileştirmesinin avantajlı olduğunu gösterir. Bu bilgiye göre, uçuş şekli ile rijit şekil arasındaki kaldırma kuvveti farkları ölçülür. Sonuçlar, uçuş şekli ile rijit şekil arasında %5.5'lik bir aerodinamik kayıp olduğunu göstermektedir. Bu fark, uçaklar için önemli bir kayıptır. Bu fark, RQ-4 Global Hawk'ın elastik yapısından kaynaklanır. Elastik etkilerden kaynaklanan kaybı en aza indirmek için bu tezde bir çözüm yöntemi geliştirilmiştir. Elastik etkilerden kaynaklanan kaybı önlemek için tasarım sürecinde jig şeklinin tanımlanması ve uygulanması hayati öneme sahiptir. Elastik etkilerden kaynaklanan farkı ele almanın iki yolu vardır: birincisi genellikle istenmeyen yapısal güçlendirme yöntemidir. Sertliği artırmak otomatik olarak ağırlığı artırır. Bu çalışmada, diğer yöntem olan deformasyonları ve dönüşleri yönetme tercih edilir. Hava aracı tasarım sürecinde jig şekil tasarımının önemi artmıştır. Bu çalışmada, jig şekil tasarımını ön tasarım sürecine dahil etmek ve bir metodoloji geliştirmek amaçlanmaktadır. Rijit, elastik ve jig şekil tasarımı için bir metodoloji geliştirilmiş ve tasarım optimizasyonu için tekrarlı olarak kullanılmıştır. Genel olarak, prosedür aerodinamik olarak optimize edilmiş bir kanadın hedef şekil olarak alınmasını içerir. Bu hedef şekil için, belirli tasarım noktalarında sert ve elastik çözümler elde edilir. Elastik çözümde yükler çıkarılır. Çıkarılan bu yükler ters çevrilir ve hava aracına uygulanır ve bir aero-yapısal çözüm elde edilir. Hava aracının başlangıç jig şekli bulunur. Bu başlangıç jig şekli daha sonra bir aero-yapısal çözümde aynı koşullara tabi tutulur ve yeni uçuş şekli ölçülür. Bir sonraki adımda, yeni uçuş şekli hedef şekil ile karşılaştırılır. Eğer yeni uçuş şekli ile hedef şekil arasındaki fark belirli bir sınırdan düşükse, iterasyon sona erer. Eğer sınırdan yüksekse, süreç tekrar başlar. Yeni uçuş şekli yükleri ters çevrilir ve ikinci iterasyon için jig şekli bulunur. Bu daha sonra ZONAIR aero-yapısal çözüme tabi tutulur ve uçuş şekli elde edilir ve tekrar hedef şekil ile karşılaştırılır. Bu çalışmada geliştirilen metodoloji hızlı ve pratiktir. Tabii ki, en optimal jig şeklini bulabilmek için birçok iterasyona ihtiyaç vardır. Bu süreci daha akıllıca hale getirmek için optimizasyon yöntemleri kullanılmıştır. Özellikle, stabil ve geniş bir şekilde kullanılan bir optimizasyon yöntemi seçilmiştir. Bu çalışmanın amacı karmaşık modelleri basitleştirerek daha hızlı çözümler elde etmektir, bu nedenle hızlı çalışan gradyan tabanlı bir optimizasyon yöntemi olan SQP optimizasyon yöntemi olarak seçilmiştir. Ayrıca RQ-4 Global Hawk uçağı için başarılı bir optimizasyon modeli de kurulmuş, jig şekli optimizasyon prosedürü otomatize edilmiştir. Ön tasarım sürecinde hava aracı tasarımını daha etkili hale getirmek için çok kısa bir sürede jig şekli optimizasyonu yaparak bir prosedür geliştirilmiştir. Bu jig şekli optimizasyonu, hava aracının verimliliğini artırarak daha etkili hale getirir. Jig şekli optimizasyonu, hedeflenen menzile ulaşmaya ve sahada daha başarılı gözlemler ve silah atışları gerçekleştirmeye katkı sağlayan bir süreçtir.
Özet (Çeviri)
The field of aviation is continuously developing, and with advancements in technology, it has established a strong foundation. The desire to integrate air travel into everyday life has accelerated the design and production processes of aircraft. In civil aviation, aircraft are designed with the aim of reducing fuel costs, flying over long distances, and carrying the maximum number of passengers. The military sector, on the other hand, emphasizes features such as flying faster, reaching higher altitudes, and carrying weapons and missiles. Meeting these diverse requirements is possible through the most efficient design of power systems, structures, and aerodynamics in the aircraft. Since engine design falls outside the scope of this thesis, this thesis focuses on aerodynamic and structural design. The desire to make aircraft lighter to achieve better performance has increased. With the advancement in material technology, stronger and lighter aerospace materials have been developed. These lightweight materials are more flexible compared to traditional materials, making them ideal for modern day designs. While aircraft produced with these materials are 30% lighter than those produced with conventional materials, they are also more susceptible to elastic effects. Therefore, to fully realize the benefits of weight reduction, it is crucial to examine the aeroelastic effects on the aircraft in more detail. The field of aeroelasticity focuses on understanding and addressing the combined effects of inertial, elastic, and aerodynamic forces. Its popularity, within the aircraft design community, is constantly increasing as aircraft are becoming more and more flexible. Aeroelasticity is generally divided into two main categories: static aeroelasticity and dynamic aeroelasticity. Some of the common phenomena associated with static aeroelasticity include control reversal, effectiveness, and divergence, while the phenomena associated with dynamic aeroelasticity include buzz, buffet, gust, and flutter. In the aircraft design process, once the conceptual design is finalized during the preliminary design stage, the aerodynamicists start to work on the external geometry to achieve an optimal design. This aerodynamically optimized wing is then handed over to structural engineers, who manufacture it within specified production tolerances. These manufacturing constraints cause the aircraft's external surface to deviate slightly from its optimized design. In summary, there are geometrical differences between the optimal aerodynamic design and the manufactured geometry. These differences result in discrepancies between the calculated performance values of the optimized design and the actual performance values of the manufactured geometry. When the the loss due to geometrical difference is added the aerodynamic performance values will significantly decrease. The external geometry of an aircraft is a dynamic, living cycle. It undergoes many changes from design to production. These external shapes are generally divided into two groups: theoretical shapes and practical shapes. Examples of theoretical shapes include the 1G flight shape, jig shape, and engineering shape. Examples of practical shapes include the manufacturing shape, parking shape, actual flight shape, and operation shape. The aim of this study is to arrive at a more effective design during the preliminary design stage of the aircraft design process by incorporating a multidisciplinary approach. Due to time constraints in aircraft design processes, designers often avoid complex and expensive analyses. This study proposes a method to mitigate these challenges by providing a quick solution for integrating multidisciplinary analysis into the preliminary design stage, thereby enabling a more effective design process. In this study, the RQ-4 Global Hawk, a HALE class unmanned aerial vehicle, is selected. The reason for choosing the RQ-4 Global Hawk is that it has very large aspect ratio making the elastic effects more apparent. Initially, the point cloud data available in the literature for the RQ-4 Global Hawk is acquired. A structured mesh capable of creating this point cloud is generated using a Python coded. This mesh is employed to establish a ZONAIR aerodynamic model, a 3D panel method that uses high-order panels. The results obtained using the ZONAIR aerodynamic model was validated against the available flight data in literature. The same grid are used for the structural analysis of the RQ-4 Global Hawk. The material density is chosen based on the real-life weight of the RQ-4 Global Hawk. The weight distribution is made proportional to the volumes of the RQ-4 Global Hawk's components. The FEM analysis of the RQ-4 Global Hawk is performed with composite materials, using stiffness values found in the literature. A modal analysis is then conducted to determine the natural modes and frequencies related to the wing. After preparing the ZONAIR aerodynamic model and FEM model of the RQ-4 Global Hawk aircraft, the ZONAIR model is made ready for aero-structural coupling. For specific Mach numbers and angles of attack, both the rigid (desired) and elastic (flight shape) results are obtained. Since the RQ-4 Global Hawk is a subsonic aircraft, the chosen angles of attack and Mach numbers show linear values in the graphs. This is advantageous for UAV because improving one design point aeroelastically will automatically improve other design points as well. In light of this information, the differences in lift coefficients between the flight shape and the rigid shape are measured. The results indicate a 5.5% aerodynamic loss between the flight shape and the rigid shape. This difference is a significant loss for aircraft. This difference arises due to the elastic structure of the RQ-4 Global Hawk. To minimize the loss caused by elastic effects, a solution method is developed in this thesis. Defining and applying the jig shape in the design process is crucial to prevent the loss caısed by elastic effects. There are two ways to address the difference caused by elastic effects: the first is structural reinforcement, which is generally undesirable. As increasing stiffness automatically increases weight. In this study, the other method, managing deflections and twists, is exemined. The importance of jig shape design has increased in the aircraft design process. In this study, the main goal is to incorporate jig shape design into the preliminary design process and develop a methodology. A methodology for rigid, elastic, and jig shape design is developed and used iteratively for design optimization. Generally speaking, the procedure involves taking an aerodynamically optimized wing as the target shape. Next, rigid and elastic solutions are obtained at specific design points for this target shape. In the elastic solution, the loads are extracted. These extracted, inverted and applied to the aircraft to obtain an aero-structural solution and identify the initial jig shape. The initial jig shape of the aircraft is found. This initial jig shape is then subjected to the same conditions in an aero-structural solution, and the new flight shape is measured. In the next step, the new flight shape is compared to the target shape. If the difference between the new flight shape and the target shape is below a certain limit, the iteration ends. If it is exceeds the limit, the process starts over. The loads from the new flight shape are inverted, and the jig shape for the second iteration is found. This is then subjected to the ZONAIR aero-structural solution to obtain the flight shape, which is compared again to the target shape. The methodology developed in this study is both fast and practical, requiring many iterations are needed to find the most optimal jig shape. Optimization methods have been used to make this process more intelligent. Especially, a stable and widely used optimization method has been selected. The aim of this study is to simplify complex models to achieve faster solutions, so a fast-working gradient-based optimization method, SQP, has been chosen as the optimization method. A effective optimization model has also been established for the RQ-4 Global Hawk aircraft, automating the jig shape optimization procedure. This procedure enhances the aircraft design process by enabling raid jig shape optimization during the preliminary design stage. This jig shape optimization increases the efficiency of the aircraft, making it more effective. Jig shape optimization is a process that contributing to reaching the targeted range and achieving more successful observations and weapon firings in the field.
Benzer Tezler
- Synthesis and characterization of poly(N-hydroxymethacrylamide-allylthıourea) hydrogels and their selectivity to Au(III), Pt(II), Pd(II), and Ag(I) ions
Poli (N-hidrosimetilmetakrilamid-alliltiyoüre) hidrojellerin sentezi, karakterizasyonu ve Au(III), Pt(II), Pd(II), ve Ag(I) iyonlarına karşı seçiciliği
SERHAT DÖKER
- Fenitoinin katı ilaç şekillerinin tasarımı ve insanda tek doz biyoyararlanımları
The Projection of solid dosage forms of phenytoin and the single dose bioavailability in human
MUHARREM ÖLÇER
- Etibank Üçköprü krom zenginleştirme tesisi artıklarından küçük boyutlu kromitin zenginleştirilmesi
Concentration of fine chromite tailings from Etibank Üçköprü gravity concentration plant
ALİ GÜNEY
- Akışkan yataklı hava bazlı kömür yıkama sistemlerinde akışkanlaştırma karakteristiklerinin kömür-inorganik madde ayrımına etkisi
Effect of fluidization characteristics on coal-inorganic material separation in air based fluidized bed coal washing systems
UFUK AYKAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SABRİ ÇELİK
- Titanyum dioksit nanotüplerin akışkan kompozit rezinin antibakteriyel, yüzey pürüzlülüğü, kesme bağlanma dayanıklılığı özelliklerine etkisi
The effect of titanium dioxide nanotubes on flowable composite resin's antibacterial, surface roughness and shear bond strength properties
İLDEM ÜSTÜNKOL CEYLAN
Doktora
Türkçe
2013
Diş HekimliğiHacettepe ÜniversitesiRestoratif Diş Tedavisi ve Endodonti Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURAY ATTAR
