Eklemeli İmalat Kısıtları Kullanılarak Bir Uçak Bileşeninin Topoloji Optimizasyonu

Öz

Bu çalışma, eklemeli imalat kısıtlamalarını ve anizotropi değerlendirmelerini entegre ederek bir uçak montaj bileşeninin topoloji optimizasyonuna yönelik yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Araştırma, hâlihazırda kullanılan bir uçak parçasını yeniden tasarlamayı ve optimize etmeyi amaçlarken, topoloji optimizasyonunu eklemeli imalat teknikleriyle birleştirme potansiyelini de araştırmaktadır. ANSYS yazılımını kullanan çalışma, AL 7050, Ti6Al4V ve AlSi10Mg olmak üzere üç malzemenin performansını karşılaştırmaktadır. Optimizasyon süreci, gerçekçi ve üretilebilir sonuçlar sağlamak için minimum uzunluk, bağlantı, çıkıntı ve anizotropi dahil olmak üzere imalat kısıtlarını içermektedir. Bu çalışmanın özgünlüğü, yalnızca yapısal performansı değil, aynı zamanda eklemeli imalattaki üretilebilirlik ve malzemeye özgü zorlukları da dikkate alan kapsamlı havacılık bileşeni tasarım yaklaşımında yatmaktadır. Çalışma, tüm malzemelerde önemli ağırlık azaltmaları göstermekte olup, AlSi10Mg en yüksek kütle azalmasını %38,20 ile elde etmektedir. Nihai optimize edilmiş tasarım, minimum 1,65 güvenlik faktörü ile havacılık gereksinimlerini başarıyla karşılamaktadır. Katman katman imalattan kaynaklanan anizotropik özellikleri ele alan bu araştırma havacılık uygulamalarında eklemeli imalat için topoloji optimizasyon tekniklerinin geliştirilmesine katkıda bulunmuş ve potansiyel olarak daha verimli ve hafif uçak bileşenlerinin önünü açmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• topoloji optimizasyonu
• Eklemeli imalat
• Havacılık bileşeni tasarımı
• Hafif yapılar
• Anizotropi kısıtları

Topology Optimization of an Aircraft Component Using Additive Manufacturing Constraints

Öz

This study applies topology optimization techniques to redesign an existing aircraft installation component, incorporating additive manufacturing constraints. Using ANSYS software, the research optimizes a part currently made of AL7050, comparing it with alternatives in Ti-6Al-4V (Ti64) and AlSi10Mg. The optimization process considers manufacturing and installation constraints while aiming to minimize compliance and reduce mass. Results show significant mass reductions across all materials, with AlSi10Mg achieving the most substantial improvement of 38.20% mass reduction and a minimum safety factor of 1.49. The study demonstrates the practical application of combining topology optimization and additive manufacturing in aerospace component design, highlighting opportunities for improved fuel efficiency and sustainable air transportation systems. The research also addresses challenges in integrating manufacturing constraints and material properties into the optimization process. Future work recommendations include exploring multi-physics optimization approaches and investigating the long-term performance of topology-optimized parts in aerospace applications.

Anahtar Kelimeler

• Topology optimization
• Additive manufacturing
• Aerospace component design
• Lightweight design
• Structural analysis

Kaynakça

1. [1] Bendsøe MP, Sigmund O. Topology optimization: Theory, methods, and applications. Springer Science & Business Media; 2003.
2. [2] Zhu JH, Zhang WH, Xia L. Topology optimization in aircraft and aerospace structures design. Archives of Computational Methods in Engineering. 2016;23(4):595-622.
3. [3] Christensen PW, Klarbring A. An introduction to structural optimization. Springer Science & Business Media; 2009.
4. [4] Rozvany GI. A critical review of established methods of structural topology optimization. Structural and Multidisciplinary Optimization. 2009;37(3):217-237.
5. [5] Sigmund O, Maute K. Topology optimization approaches. Structural and Multidisciplinary Optimization. 2013;48(6):1031-1055.
6. [6] Gibson I, Rosen D, Stucker B. Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing. Springer; 2015.
7. [7] Liu J, Gaynor AT, Chen S, Kang Z, Suresh K, Takezawa A, et al. Current and future trends in topology optimization for additive manufacturing. Structural and Multidisciplinary Optimization. 2018;57(6):2457-2483.
8. [8] Thompson MK, Moroni G, Vaneker T, Fadel G, Campbell RI, Gibson I, vd. Design for additive manufacturing: Trends, opportunities, considerations, and constraints. CIRP Annals. 2016;65(2):737-760.

9. [9] Plocher J, Panesar A. Review on design and structural optimisation in additive manufacturing: Towards next-generation lightweight structures. Materials & Design. 2019;183:108164.
10. [10] Yiğitbaşı TS. Mechanical properties of Ti6Al4V parts produced by electron beam melting and topology optimization in different building directions [master’s thesis]. Ankara: Middle East Technical University; 2018.
11. [11] Kılıç AE, Savaş A, Yücesoy Y. Topology optimization of structural drive-train component of an electric-driven vehicle for additive manufacturing. Kocaeli Journal of Science and Engineering. 2024;7(1):391-405.
12. [12] Yildiz BS. Structural optimization of the drone arm with a new hybrid metaheuristic algorithm. MATIM. 2023;21(2):74-80.
13. [13] Wang C, Zhu JH, Zhang WH, Li SY, Kong J. Concurrent topology optimization design of structures and non-uniform lattice materials. Computers & Structures. 2020;239:106320.
14. [14] ANSYS, Inc. Structural Analysis & Simulation Software. https://www.ansys.com/products/structures Published 2023.
15. [15] Zhang X, Liang Y, Yi F, Liu H, Zhou Q, Yan Z, et al. Anisotropy in microstructure and mechanical properties of additively manufactured Ni-based GH4099 alloy. Journal of Materials Research and Technology. 2023;22:2162-2178.
16. [16] Niu MCY. Airframe structural design: Practical design information and data on aircraft structures. 2nd ed. Hong Kong: Conmilit Press; 2011.
17. [17] Battelle Memorial Institute. Metallic materials properties development and standardization (MMPDS) handbook. 17th ed. Battelle Memorial Institute; 2022.
18. [18] Özkara M. Topology optimization of an aircraft structural part for additive manufacturing [master’s thesis]. Ankara: Çankaya University; 2023.