LEE- Savunma Teknolojileri Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19450

Gözat

Konu "Aeroelastic design" ile LEE- Savunma Teknolojileri Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Çok-doğruluklu temsili modelleme ile aeroelastik tasarım optimizasyonu uygulaması
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-01-19) Çakmak, Enes ; Nikbay, Melike ; 514181029 ; Savunma Teknolojileri
    Hava araçlarının tasarımı, sertifikasyonu ve üretimi oldukça uzun ve zorlu bir süreç gerektirmektedir. Özellikle ticari uçaklarda güvenlik, konfor, performans, çevresel ve ekonomik etkiler gibi pek çok alanda tasarımı etkileyen amaçlar ve kısıtlamalar mevcuttur. Bu nedenle mühendisler tasarım aşamasında pek çok disiplini hesaba katmak durumdadırlar. Bazı disiplinler her ne kadar diğerlerinden ayrı olarak hesaplanabilse de nihai tasarım sürecinde diğer disiplinler ile etkileşime girdiğinden tasarımı bir bütünleşik sistem olarak düşünmek gerekir. Tarihsel süreçte temel disiplinler ile başlayan tasarım çalışmaları gelişen teknoloji ve artan araştırma kabiliyetleri ile yeni ve çok disiplinli çalışma alanlarını ortaya çıkarmıştır. Hava araçlarının tasarımında aerodinamik ve elastik kuvvetler arasındaki etkileşimi inceleyen aeroelastisite ise bu uzmanlıklardan neredeyse en önemlisidir. Hava araçlarının yüksek uçuş güvenliği gerektiren ve yüksek maliyetli yapılar olmalarından dolayı uzun ömürlü ve emniyetli bir şekilde görev yapması beklenmektedir. Bir hava aracı uçuş görevindeyken yoğun aerodinamik yüklere maruz kalır ve bu yükler uçuş sırasında aracın yapısında deformasyonlara yol açar. Aerodinamik yükler sebebi ile oluşabilecek ve uçuş güvenliğini tehdit edebilecek kararsızlıklar yapılarda ölümcül hasarlara sebep olabilmektedir. Bu nedenle ön tasarım sürecinde akışkan ile yapı etkileşiminin hassasiyet ile hesaba katılması oldukça önemlidir. Ancak çoklu fizik içeren disiplinlerin analitik olarak çözümü bir hayli zordur. Bu nedenle bilgisayar destekli sayısal yöntemlere başvurulur. Akışkan ve yapı etkileşim problemlerini sayısal yöntemlerle çözmenin çeşitli yolları vardır. Kısaca bunlar; aynı çözücü içerisinde akış ve yapısal yönetici denklemlerini tek denklem kümesi halinde çözebilen tam bağlaşımlı yaklaşım, yine aynı çözücü içerisinde farklı modüller halinde birbiriyle etkileşen sıkı bağlaşımlı yaklaşım ve farklı çözücülerin birbirleri ile bağlanmasıyla etkileşime girebilen gevşek bağlaşımlı yaklaşımlar olarak özetlenebilir. Bu çalışmada da gevşek bağlaşımlı etkileşim yöntemi benimsenmiş olup akışkan ve yapısal modeller farklı çözücülerde çözülerek aralarında veri alışverişi sağlayan üçüncü bir yazılım kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Günümüzde her ne kadar hesaplama gücü yüksek bilgisayarlar mevcut olsa da çoklu fizik içeren hesaplamalar oldukça maliyetlidir. Mühendisler bir yandan en yüksek doğrulukta hesaplamalar yaparak en iyi çözüme ulaşmayı hedeflerken bir yandan da hesaplama maliyetlerini düşürmeyi hedeflemektedirler. Havacılığın ilk yıllarında ortaya çıkan ürünlerin zamanla eksiklikleri fark edilerek üzerinde iyileştirmeler yapılarak imkanlar dahilinde en iyi sonuca ulaşılması hedeflenmekteydi, ancak günümüz itibariyle daha ürün tasarım sürecindeyken optimizasyon teknikleri sayesinde hedeflenen en iyi çözümün sayısal olarak belirlenmesi ve test edilmesi mümkün olmaktadır. Ancak başarılı bir optimizasyon sürecinde tasarım uzayındaki değişimlerin iteratif olarak belirlenmesi ve değerlendirilmesi gerektiğinden genellikle bu süreç toplamda yüksek maliyetli hesaplamalar gerektirmektedir. Bu nedenle hedeflenen optimuma ulaşmanın daha düşük maliyetli yolları aranmaktadır. Temelde hesaplama maliyeti yüksek olmayan düşük doğruluklu çözüm ile maliyeti yüksek olan yüksek doğruluklu çözümler arasında yeterli oranda bir korelasyon olduğu düşüncesinden yola çıkarak maliyetli yüksek doğruluklu çözüm kümesini, daha fazla sayıda üretilmiş düşük maliyetli düşük doğruluklu çözümle destekleme yöntemleri aranmıştır. Çok-doğruluklu temsili modelleme yöntemi özellikle optimizasyon ve belirsizlik analizi gibi yoğun veri üretimi gerektiren problemlerde farklı doğruluk seviyelerindeki çözümleri kullanarak fazla sayıda üretilen düşük doğruluklu çözümlerden oluşturulmuş temsili modelin, daha az sayıda üretilen yüksek doğruluklu çözüm ile düzeltilmesi prensibiyle çalışır. Bu sayede bu yöntem hesaplama maliyeti açısından önemli seviyede tasarruf imkanı sunar. Bu tez çalışmasında çok-doğruluklu aeroelastik çözüm kabiliyetinin geliştirilmesi için farklı doğruluk seviyelerindeki akışkan çözücülerinin bir yapısal çözücü ile bağlaşımı gerçekleştirilmiştir. Bu bağlaşımı kullanarak çok-doğruluklu temsili model kurulmuş ve aeroelastik tasarım optimizasyonu gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. Düşük doğruluklu Girdap Kafes Yöntemi çözücüsü olan AVL ve yüksek doğruluklu Euler çözücüsü olan SU2 yazılımlarını, farklı çözücüler arasında veri aktarabilen arayüz modülü pyCAPS yardımıyla Nastran sonlu elemanlar yapısal çözücüsü ile bağlayarak akışkan-yapı etkileşim analizleri yapılmıştır. Çok-doğruluklu temsili modelleme yöntemi olarak CoKriging seçilmiş olup optimizasyon algoritması olarak da Genetik Algoritma kullanılmıştır. Ayrıca çalışma kapsamında temsili modelleme süreçlerinde uyarlanabilir örnekleme yöntemlerinin eklenmesi ile birlikte optimizasyon çalışması daha verimli hale getirilmiştir. Referans model olarak literatürde pek çok disiplinde referans çalışmalarında kullanılması için NASA tarafından paylaşılan Common Research Model uçağının yüksek kanat açıklık oranına sahip versiyonu (uCRM 13.5) kullanılmıştır. Optimizasyon problemini çeşitlendirmek amacıyla biri 3 değişkenden diğeri 6 değişkenden oluşan iki farklı boyutda problem tanımlanmıştır. Bu değişkenler geometrik tasarım değişkenleridir. 3 değişkenli problemde, en az 0,5'lik bir taşıma kuvveti katsayısını zorunlu kılan bir kısıtlamaya tabi olarak sürüklemeyi en aza indirmek hedeflenirken, 6 değişkenli problemde yük faktörü ve moment kısıtlamalarına bağlı olarak yakıt tüketimi minimizasyonu hedeflenmiştir. Tamamlanan uygulama sonuçları ile birlikte, değişen doğruluk seviyelerindeki aeroelastik analizlerde farklı yazılım kodlarını birleştirmek için kullanılan metodoloji başarı ile uygulanmış olup, çok-doğruluklu temsili modelleme temelli optimizasyon yöntemlerinin tasarım süreçlerine entegrasyonu ve avantajları okuyuculara sunulmuştur.