Aerodynamic optimization of UAV wing design using computational fluid dynamics (CFD) analysis
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizi kullanarak İHA kanat tasarımının aerodinamik optimizasyonu
- Tez No: 936398
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ YASER ALAIWI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Altınbaş Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
Bu çalışma, hem geleneksel hem de kompozit malzemelerden inşa edilen insansız hava aracı (İHA) kanatlarının yapısal ve aerodinamik performansına ilişkin kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Araştırma özellikle üç malzeme konfigürasyonuna odaklanmaktadır: geleneksel alüminyum, %65 uzun cam elyafı ile güçlendirilmiş Epoksi Levha Kalıplama Bileşiği (SMC) ve Epoksi E-cam kompozitler. Birincil amaç, optimum malzeme seçimi yoluyla İHA kanatlarının aerodinamik verimliliğini ve yapısal bütünlüğünü artırmaktır. Tüm malzeme vakaları boyunca kaldırma ve sürükleme gibi aerodinamik kuvvetleri değerlendirmek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) kullanılarak ayrıntılı bir hesaplamalı analiz yürütülmüştür. Bunu, gerçekçi uçuş koşulları altında kanatların yapısal tepkilerini değerlendirmek için tek yönlü Akışkan-Yapı Etkileşimi (FSI) analizi izlemiştir. Ek olarak, uçuş kararlılığını etkileyebilecek kritik titreşim modlarını belirleyerek kanat yapılarının doğal frekanslarını ve mod şekillerini belirlemek için modal analiz yapılmıştır. CFD analizi, kanatlara etki eden kuvvetleri niceleyerek tüm malzeme konfigürasyonları için tutarlı aerodinamik yük verileri sağlamıştır. Sonraki FSI analizi, her bir malzemenin operasyonel yükler altında gerilim dağılımlarını, deformasyon özelliklerini ve yapısal zorlanmaları nasıl ele aldığına dair içgörüler sundu. Sonuçlar, malzemeler arasında güvenlik faktörleri, deformasyonlar ve doğal frekans davranışları açısından önemli farklılıklar ortaya koydu. Özellikle, kompozit malzemeler üstün yapısal mukavemet ve azaltılmış ağırlık sergileyerek alüminyumdan daha iyi performans gösterdi ve bu da daha yüksek güvenlik marjlarına ve titreşimsel gerilimlere karşı gelişmiş dirence yol açtı. Kompozitler arasında Epoksi E-cam malzemesi, gerilim dağılımı ve deformasyon kontrolü açısından en yüksek güvenlik faktörünü ve en dengeli performansı göstererek, İHA kanat tasarımı için üstünlüğünü gösterdi. Bu araştırma, özellikle aerodinamik verimliliğin ve yapısal dayanıklılığın çok önemli olduğu kanat yapıları için İHA tasarımında malzeme seçiminin kritik önemini vurgulamaktadır. Bulgular, gelecekteki İHA geliştirmeleri için değerli içgörüler sunarak, gelişmiş kompozit malzemelerin performansı optimize etme, yapısal ağırlığı azaltma ve değişen uçuş koşulları altında daha güvenli, daha güvenilir bir çalışma sağlama potansiyelini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
This study presents a comprehensive investigation into the structural and aerodynamic performance of unmanned aerial vehicle (UAV) wings constructed from both traditional and composite materials. Specifically, the research focuses on three material configurations: conventional aluminum, Epoxy Sheet Molding Compound (SMC) reinforced with 65% long glass fibers, and Epoxy E-glass composites. The primary objective is to enhance the aerodynamic efficiency and structural integrity of UAV wings through optimal material selection. A detailed computational analysis was conducted utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) to evaluate aerodynamic forces such as lift and drag across all material cases. This was followed by a one-way Fluid-Structure Interaction (FSI) analysis to assess the structural responses of the wings under realistic flight conditions. Additionally, modal analysis was performed to determine the natural frequencies and mode shapes of the wing structures, identifying critical vibrational modes that could impact flight stability. The CFD analysis provided consistent aerodynamic load data for all material configurations, quantifying the forces acting on the wings. The subsequent FSI analysis offered insights into how each material handled stress distributions, deformation characteristics, and structural strains under operational loads. The results revealed significant differences among the materials in terms of safety factors, deformations, and natural frequency behaviors. Notably, the composite materials outperformed aluminum by exhibiting superior structural strength and reduced weight, leading to higher safety margins and improved resistance to vibrational stresses. Among the composites, the Epoxy E-glass material demonstrated the highest safety factor and the most balanced performance regarding stress distribution and deformation control, indicating its superiority for UAV wing design. This research underscores the critical importance of material selection in UAV design, particularly for wing structures where aerodynamic efficiency and structural durability are paramount. The findings provide valuable insights for future UAV developments, highlighting the potential of advanced composite materials to optimize performance, reduce structural weight, and ensure safer, more reliable operation under varying flight conditions.
Benzer Tezler
- Design and analysis of concept unmanned aerial vehicle
Konsept insansız hava aracı tasarımı ve analizi
RESUL DEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Uçak MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET HANİFİ DOĞRU
- 2 zamanlı 2,5 Hp gücünde patlar motorlu gözlem mini-İHA tasarımı ve seyir uçuşu eniyileştirmesi
2 stroke 2.5 Hp glow engine powered reconnaissance UAV (Unmanned Aerial Vehicle) design and cruise flight optimization
MUSTAFA SERDAR TEKÇE
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Havacılık MühendisliğiAnadolu ÜniversitesiUçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAHİR HİKMET KARAKOÇ
YRD. DOÇ. DR. ÖNDER ALTUNTAŞ
- A new nonlinear lifting line method for configuration aerodynamics and deep learning based aerodynamic surrogate models
Konfigürasyon aerodinamiği analizi ve derin öğrenme bazlı aerodinamik dijital model oluşturmak için yeni bir doğrusal olmayan taşıyıcı çizgi metodu
HASAN KARALİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ADİL YÜKSELEN
PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN
- Winglet design and analysis for low altitude solar powered uav
Düşük irtifa ve güneş enerjili iha için uç kanatçık tasarımı
ALİ İHSAN GÖLCÜK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DİLEK FUNDA KURTULUŞ
- Bir insansız hava aracına ait kompozit kanadın tasarımı ve yapısal optimizasyonu
Design and structural optimisation of an UAV composite wing
MUHAMMED ATIF YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ