Bir insansız hava aracına ait kompozit kanadın tasarımı ve yapısal optimizasyonu

Abstract

Hava araçları, kısa mesafelerden uzun mesafelere kadar farklı uçuş gereksinimlerini karşılamak üzere kullanılmaktadır. Bu çeşitlilik, havacılık endüstrisinin sürekli olarak gelişmesine ve hava araçlarının çeşitli alanlarda etkili bir şekilde kullanılmasına olanak tanımaktadır. Teknolojik ilerlemeler, hava araçlarının yakıt verimliliği, güvenlik ve çevresel etkiler gibi alanlarda sürekli olarak geliştirilmesine olanak tanır. Elektronik sistemlerin ve uçuş kontrol teknolojilerinin ilerlemesi, hava araçlarının daha güvenli ve etkili bir şekilde uçmasına yardımcı olur. İnsansız Hava Araçları da (İHA'ları da) bu çeşitlilik içinde önemli bir yer tutmaktadır. İHA'lar, uzaktan kumanda veya önceden belirlenmiş programlar doğrultusunda otonom olarak uçabilen araçlardır. Bu araçlar, askeri operasyonlardan güvenlik gözetimine, tarımsal faaliyetlerden bilimsel araştırmalara kadar geniş bir yelpazede görevleri yerine getirmektedirler. İHA'ların tasarımında öne çıkan faktörlerden biri, hafif ve dayanıklı malzemelerin kullanımıdır. Bu bağlamda, genellikle karbon fiber, cam fiber ve epoksi reçine gibi bileşenlerden oluşan kompozit yapısal hafif malzemeler tercih edilmektedir. Hafif malzemelerin kullanımı, İHA'ların daha az enerji harcayarak uzun uçuş süreleri elde etmelerine yardımcı olur. Bu özellikler, İHA'ların uzun süreli ve maliyetinin düşük olması gereken görevlerde diğer hava araçlarına göre avantajlı olmalarını sağlar. Bu çalışma kapsamında bir insansız hava aracına ait kompozit kanadın uçuşa elverişli olacak şekilde tasarımı yapılmıştır ve bu tasarımın yapısal optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Uçuşa elverişli olabilmesi için öncelikle İHA görev profiline uygun olacak iki boyutlu bir kanat profili seçilmiştir. Bu kanat profilinin ilgili kaldırma kuvvetini karşılayabilecek şekilde 8 metre uzunluk, 1.2 metre kök genişliği olan üç boyutlu kanat tasarlanmıştır. Tasarlanan bu üç boyutlu kanadın Ansys Fluent yazılımı yardımı ile akışkanlar mekaniği analizi yapılmıştır. Bu nümerik çalışma sonucunda oluşan basınç dağılımı kanat kabuğu uzunluk yönünde 10 eşit parçaya bölünerek yüzeylerin belirlenen noktalarda oluşturduğu yük ve momentler elde edilmiştir. Bu yükler yapısal olarak iki kiriş ve iki kabuktan oluşan kanat geometrisine Abaqus yazılımında yayılı yük ve moment olarak tanımlanmıştır. Kanat yapısı kiriş uçlarından 6 serbestlik derecesinde tutularak sınır koşulu analiz modeline tanımlanmıştır. 40 bölgeye bölünmüş kanat geometrisine tek yönlü fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzeme ile serim yapılmış ve analiz Hashin hasar kriterine bağlı olarak çözdürülmüştür. Hasar kriterleri sınır değerinde altında kalmış ve dayanımı sağlamıştır. Kanat yapısı uçuşa el verişli ve dayanımlı olarak tasarlanmış ve yapısal optimizasyon çalışmasına geçilmiştir. Bu aşamada oluşturulan analiz modeli Python programlama dilinde hazırlanmış olan kod yardımı ile Abaqus yazılımı bir alt yazılım halinde çalıştırılarak optimize edilmiştir. Bu optimizasyon çalışmasında kanat yapısal ağırlığı, 45 analiz adımı sonunda %34.7 oranında hafiflemiştir. Yapılmış olan bu analiz çalışmalarında oluşan en kalın kompozit serimi, plaka halinde el ile serim metodu kullanılarak üretilmiştir. Üretilen bu plakadan çekme ve basma numuneleri kesilerek testlere tabii tutulmuştur. Çıkan sonuçlar doğrultusunda çalışmanın deneysel doğrulanması yapılmıştır.