Uçak motor braketinde topoloji optimizasyonu ve sayısal olarak doğrulaması

Year 2024, Volume: 14 Issue: 1, 325 - 335, 15.03.2024

İsmail Saraç , Alp Timuçin Koçak

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1329278

Abstract

Yapıları hafifleterek enerji ve malzeme tasarrufu sağlamanın önemi gittikçe artmaktadır. Güçlü yazılım imkanlarıyla Topoloji Optimizasyonu tam bu amaca yönelik olarak çözümler üretmektedir. Bunun yanında Topoloji Optimizasyonu sayesinde daha yenilikçi ve rekabetçi yapılar üretilebilmektedir. Eklemeli imalat yöntemlerinin gelişimi de Topoloji Optimizasyonuna olan ilgiyi arttırmıştır. Topoloji optimizasyonunda, yük taşımayan veya az yük taşıyan hacimsel elemanlar yapıdan çıkarılır. Böylece daha hafif, fakat yeterince dayanıklı yapılar elde edilebilir. Bu çalışmada, bir jet motorunda bağlantı elemanı olarak kullanılan bir braketin topoloji optimizasyonu ABAQUS Sonlu Elemanlar yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Gerekli braket geometrisi, yük koşulları ve malzeme bilgileri, General Electric tarafından duyurulan bir çevrimiçi tasarım yarışmasından alınmıştır. Braket malzemesi olarak Ti6Al4V Titanyum alaşımı kullanılmıştır. Çalışmanın başlangıcında, topoloji optimizasyonu için gerekli olan yük yollarını elde etmek için orijinal braket modeline statik analiz yapılmıştır. Statik analiz sonucunda, jet motoru braketi içindeki yük yolları belirlenmiş ve brakete, rijitliği düşürmeden kütleyi minimuma indirmek için topoloji optimizasyonu uygulanmıştır. Yapılan analiz çalışmaları sonucunda topoloji optimizasyonu sayesinde braketten %80'e yakın malzeme kazancı elde edilebileceği kanıtlanmıştır.

Keywords

Braket, Sonlu elemanlar analizi, TiAl6V4, Topoloji optimizasyonu

Topology optimization and numerical verification in an aircraft engine bracket

Abstract

The importance of saving energy and materials by lightening structures is constantly increasing. With its powerful software capabilities, Topology Optimization produces solutions for this exact purpose. In addition, thanks to Topology Optimization, more innovative and competitive structures can be produced. The development of additive manufacturing methods has also increased interest in Topology Optimization. In Topology Optimization, volumetric elements that do not carry any load or carry little load are removed from the structure. Thus, lighter, but sufficiently durable structures can be obtained. In this study, the topology optimization of a bracket used as a fastener in a jet engine was carried out using ABAQUS Finite Element software. Required bracket geometry, load conditions, and material information were obtained from an online design competition announced by General Electric. Ti6Al4V alloy was used as the bracket material. At the beginning of the study, static analysis was performed on the original bracket model to obtain the load paths required for topology optimization. As a result of the static analysis, the load paths within the jet engine bracket were determined and topology optimization was applied to the bracket to minimize the mass without reducing the rigidity. As a result of the analysis studies, it has been proven that nearly 80% material savings can be achieved from the bracket thanks to topology optimization.

Keywords

Bracket, Finite elements analysis, TiAl6V4, Topology optimization

References

• Abaques documentation. (2023, February 1). https://classes.engineering.wustl.edu/2009/spring/mase5513/abaqus/docs/v6.6/books/usb/default.htm?startat=pt08ch28s03aus108.html
• Attaran, M. (2017). The rise of 3-D printing: The advantages of additive manufacturing over traditional manufacturing. Business Horizons, 60, 677-688. https://doi.org/10.1016/j.bushor.2017.05.011
• ASM Aero space specification metals inc. Titanium Ti-6Al-4V Grade 5 (2023, April 8) https://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=mtp641.
• Bendsoe, M. P., & Kikuchi, N. (1988). General optimal topologies in structural design using a homogenization method. Computer methods in applied mechanics and engineering, 93, 291-318.
• Brighenti, R., Cosma, M. P., Marsavina, L., Spagnoli, A., & Terzano, M. (2021). Laser-based additively manufactured polymers: a review on processes and mechanical models. Journal of Materials Science, 56, 961-998. https://doi.org/10.1007/s10853-020-05254-6
• DMLS vs SLM 3D Printing for Metal Manufacturing Selective Lazer Melting (2023, February 11) https://www.element.com/nucleus/2016/dmls-vs-slm-3d-printing-for-metal-manufacturing.
• Grabcad community GE jet engine bracket challenge (2022, December 8). https://grabcad.com/challenges/ge-jet-engine-bracket challenge.
• Hopkins, D. (2021). The critical of ultrasound by advancing additive for industrial. Quality, 60(10), 38-38.
• Kahraman, F., & Küçük, M. (2020). Otomotiv endüstrisinde topoloji optimizasyonu ile ağırlık azaltma uygulaması üzerine bir araştırma. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (20), 623-631. https://doi.org/10.31590/ejosat.789424
• Koçar, O. (2018). Dorse tasarımında stres dağılım analizi ve topoloji optimizasyonu. Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(1), 309-316. https://doi.org/10.7212%2Fzkufbd.v8i1.1073
• Markforged 3D Printers Metals/Carbon Fiber/Plastics (2023, April 12) https://markforged.com/software.
• Meiners, W., Wissenbach, K., & Gasser, A. (1998). Shaped body especially prototype or replacement part production. DE Patent, 19.
• Nematollahi, M., Jahadakbar, A., Mahtabi, M. J., & Elahinia, M. (2019). Additive manufacturing (AM). In Metals for biomedical devices (pp. 331-353). Woodhead Publishing.
• Rossow, M. P., & Taylor, J. E. (1973). A finite element method for the optimal design of variable thickness sheets. Aiaa Journal, 11(11), 1566-1569.
• Saleh Alghamdi, S., John, S., Roy Choudhury, N., & Dutta, N. K. (2021). Additive Manufacturing of Polymer Materials: Progress, Promise and Challenges. Polymers, 13(5), 753. https://doi.org/10.3390/polym13050753
• Top, N., Gökçe, H., & Şahin, İ. (2019). Eklemeli Imalat Için Topoloji Optimizasyonu: El Freni Mekanizmasi Uygulamasi. Selçuk-Teknik Dergisi, 18(1), 1-13.
• Topaç, M. M., Bahar, E., Kaplan, A., & Sarıkaya, E. Z. (2017). Topoloji optimizasyonu yardımıyla, askeri taşıt bağımsız ön süspansiyonu için alt salıncak tasarımı. IDEFIS, 2017, 2nd.