SONLU ELEMANLAR ANALİZİ SİMÜLASYONLARIYLA ENTEGRE EDİLMİŞ UÇAKLARIN KANAT MEKANİZMASININ YAPISAL ANALİZİ VE OPTİMİZASYONU

Abstract

Bu çalışmada, bir uçağın flap mekanizması, operasyonel koşullar altındaki aerodinamik ve yapısal davranışı birlikte değerlendirilerek optimize edilmiştir. İlk olarak, flap yüzeyindeki basınç dağılımını elde etmek ve buna karşılık gelen kaldırma ve sürükleme kuvvetlerini hesaplamak için bir akış simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Elde edilen aerodinamik yükler, mekanizma içindeki kritik gerilme bölgelerini, deformasyon şekillerini ve yük yollarını belirlemek amacıyla ayrıntılı bir sonlu eleman analizinde sınır koşulu olarak kullanılmıştır. Yapısal tepkiye bağlı olarak, mekanizmanın ana bileşenlerinden birine ağırlık azaltımı sağlamak ve gerekli dayanım seviyesini korumak amacıyla topoloji optimizasyonu uygulanmıştır. Optimizasyon süreci, mekanik bütünlükten ödün vermeden yaklaşık %28,23 oranında önemli bir kütle azaltımı sağlamıştır. Genel olarak, bu çalışma, daha verimli, hafif ve yapısal olarak güvenilir uçak mekanizmalarının geliştirilmesine önemli katkılar sunmaktadır.

Keywords

• Uçak Kanat Mekanizması
• Tasarım Optimizasyonu
• Yapısal Analiz
• Sonlu Elemanlar Yöntemi

STRUCTURAL ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF A FLAP MECHANISM OF AIRPLANES INTEGRATED WITH FEA SIMULATIONS

Abstract

In this study, the flap mechanism of an aircraft was optimized by integrating its aerodynamic and structural behavior under operational conditions. First, a flow simulation was performed to obtain the pressure distribution on the flap surface and to calculate the resulting lift and drag forces. These aerodynamic loads were subsequently used as boundary conditions in a detailed finite element analysis to identify critical stress regions, deformation patterns, and load paths within the mechanism. Based on the structural response, topology optimization was applied to one of the primary components to reduce its weight while preserving the required strength and operational performance. The optimization process resulted in a substantial mass reduction of approximately 28.23% without compromising mechanical integrity. Overall, the findings of this study contribute to the development of more efficient, lightweight, and structurally reliable aircraft mechanisms.

Keywords

• Airplane Flap Mechanism
• Design Optimization
• Structural Analysis
• Finite Element Method

References

1. Akçay, Ö., İlkılıç, C., 2025. Light-Weight Design of Aerospace Components Using Genetic Algorithm and Dandelion Optimization Algorithm. International Journal of Aeronautical and Space Sciences, 29(2), 2898–2909.
2. Altınel, K., Yıldız, A., Yuce, C., 2023. Ağır ticari araç süspansiyon sistemleri için modüler taşıyıcı kol mekanizmasının tasarımı ve analizi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 11(3), 794-803.
3. Aydoğan, B., Yildiz, A., 2025. Mathematical modeling and optimization of the active suspension system of a 6×6 electric vehicle. Alexandria Engineering Journal, 127(8), 989-1003.
4. Değirmencioğlu, F., Koşer, Y. C., Yildiz, A., 2023. Endüstriyel Robotlarda Kullanılan Çoklu Tutucunun Yapısal Analizi ve Optimizasyonu. Uluslararası Bilim Teknoloji ve Tasarım Dergisi, 4(2), 103-112.
5. Elham, A., van Tooren, M.J.L., 2016. Coupled adjoint aerostructural wing optimization using quasi-three-dimensional aerodynamic analysis. Structural and Multidisciplinary Optimization, 54(4), 711-726. Elelwi, M., Botez, R. M., Dao, T.M., 2021. Structural Sizing and Topology Optimization Based on Weight Minimization of a Variable Tapered Span-Morphing Wing for Aerodynamic Performance Improvements. Biomimetics, 6(4), 55.
6. Kavala Sen, D., Yildiz, A., Kopmaz, O., 2022. Optimal design of a five-bar planar manipulator and its controller by using different algorithms for minimum shaking forces and moments. Machines, 10(11), 971.
7. Kayacan, M. Y., Alshihabi, M., 2024. Adaptive topology optimization for additive manufacturing in aerospace applications. Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 30(2), 145-154.
8. Kenway, G.K.W., Martins, J.R.A., 2014. Multipoint high-fidelity aerostructural optimization of a transport aircraft configuration. Journal of Aircraft, 51(1), 144-160.

9. Niş, H.T., Yildiz, A., 2024. Multi-Objective Optimization of Three-Stage Turbomachine Rotor Based on Complex Transfer Matrix Method. Applied Sciences, 14(22), 10445.
10. Peng, L., 2025. Topology Optimization Methods and its Applications in Aerospace Structural Design: A Review. Structural and Multidisciplinary Optimization, 68(5), 1-38.
11. Pıçak, S. C., Yahşi, M., Gültekin, E., 2025. A Study on Topology Optimization of Landing Gear Parts. Celal Bayar University Journal of Science, 21(2), 35-46.
12. Tang, T., Wang, L., Zhu, M., Zhang, H., Dong, J., Yue, W., Xia, H., 2024. Topology Optimization: A Review for Structural Designs Under Statics Problems. Materials, 17(23), 5970.
13. Yildiz, A., 2021. Parametric synthesis of two different trunk lid mechanisms for sedan vehicles using population-based optimisation algorithms. Mechanism and Machine Theory, 156(2), 104130.
14. Yildiz, A., Kırıkoğlu, S., Sanver, N., 2023. Servo tahrikli bir makaslı kaldırma mekanizmasının tasarımı, analizi ve optimizasyonu. Uluslararası Bilim Teknoloji ve Tasarım Dergisi, 4(1), 16-27.
15. Yildiz, A., Yilmaz, Ö., Karabulut, H., 2022. Structural design optimization of the arc spring and dual-mass flywheel integrated with different optimization methods. Materials Testing, 64(2), 240-248.
16. Yildiz, A., 2019. A comparative study on the optimal non-linear seat and suspension design for an electric vehicle using population-based optimisation algorithms. International Journal of Vehicle Design, 80(2–4), 241-256.
17. Zargham, S., Ward, T.A., Ramli, R., 2016. Topology optimization: a review for structural designs under vibration problems. Structural and Multidisciplinary Optimization, 53(1), 1157–1177.
18. Zhang, H., Yin, H., Deng, X., Xu, H., & Yao, Z., 2025. Research on the lightweight design of aviation generator rear cover utilizing topology optimization. Applied Sciences, 15(17), 9842.
19. Zhu, J.H., Zhang, W.H., Xia, L., 2016. Topology optimization in aircraft and aerospace structures design. Archives of Computational Methods in Engineering, 23, 595-622.