İHA Kanadındaki Kompozit Plakanın Multi Objektif Genetik Algoritma ile Doğrusal Burkulma Optimizasyonu

Öz

Gelişen teknolojiyle birlikte havacılık sektöründe kullanılan malzemeler ve üretim yöntemleri önemli ölçüde evrim geçirmiştir. İlk uçakların üretildiği dönemde, yapı malzemesi olarak genellikle düşük mukavemetli malzemeler seçiliyordu. Ancak günümüzde, havacılık endüstrisi büyük ölçüde kompozit malzemeler, 3D yazıcılar ve entegre yapılar gibi yenilikçi teknolojilere yönelmiştir. Bu yönlenme uçak yapılarının yapısal dayanımlarını önemli ölçüde arttırmış ve daha güvenli uçuşların önünü açmıştır. Bu çalışmada, bir insansız hava aracı (İHA) kanadının üst plakası için kompozit materyal kullanılarak yapısal tasarım ve burkulma analizleri yapılmıştır. Yapılan çalışmada doğrusal burkulma analizlerine yer verilmiştir. Problemde tanımlanan her bir parametre için optimizasyon yapılmıştır Optimizasyon yapılırken belirlenen parametreler için alt ve üst sınır tanımlamaları yapılmıştır. Yapılan çalışmada, optimum yapısal tasarım ve burkulma analizi değerleri için en iyi sonuçlar bulunmuştur. Optimizasyon metodu olarak Genetik algoritma kullanılmıştır. Genetik algoritma ile optimize edilen plaka ilk bulunan yapısal tasarım ve burkulma analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada yapılan burkulma analizleri üç pekiştirici ve iki ribli bir plakada yapılmıştır. Yapılan analizler ve optimizasyon sonucunda burkulma yükünü %25 arttırılmış ve yapısal ağırlık değerini %3,46 azaltılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Optimizasyon
• Yapısal Analiz
• İHA Kanadı
• Burkulma
• Genetik algoritma

Proje Numarası

1919B012317982

Linear Buckling Optimisation of Composite Plate in UAV Wing with Multi Objective Genetic Algorithm

Öz

Abstract With the advancement of technology, materials and production methods in the unmanned aerial vehicle (UAV) sector have undergone significant evolution. During the early production of aircraft, low strength materials were commonly used as structural components. Considering the developments in today's aviation industry, it has been observed that production technologies have evolved into innovative methods such as composite materials, additive manufacturing and integrated structures. In this study, structural design and buckling analyses were performed for the surface of UAV wing using composite material. Optimization was performed to increase the buckling load and reduce the Equivalent Stress. Plate thickness, rib thickness and stiffener thickness were selected as parameters for optimization. Linear buckling and optimization were carried out for each defined parameter. Lower and upper limits were specified for the parameters. The study achieved optimal results for structural design and buckling analysis values using the Genetic Algorithm as the optimization method. The final structure optimized by Genetic Algorithm is compared with the initial structural design and buckling analysis results. The conducted buckling analyses were performed on a three-stiffener and two-rib plate. As a result of the study, the buckling load increased by 25% and the structural weight decreased by 3.46%.

Anahtar Kelimeler

• Buckling
• Genetic algorithm
• Optimization
• Structural Analysis
• UAV Wing

Destekleyen Kurum

Tübitak (Scientific and Technological Research Council of Turkey)

Proje Numarası

1919B012317982

Etik Beyan

This project is supported by TÜBİTAK 2209-A 2209-A University Students Research Projects Support Program.

Teşekkür

We would like to thanks Tübitak (Scientific and Technological Research Council of Turkey) for their support for our project numbered 1919B012317982 in the 2209-A University Students Research Projects Support Program.

Kaynakça

1. [1] Ünler T, Dağ T, and Öztürk M, “Sabit Kanat Bir İnsansız Hava Aracı Konsept Tasarımı,” in 3rd International Conference on Applied Engineering and Natural Sciences, 2022.
2. [2] N. Yıldırım, S. Kurtar, G. Bedenli, and T. Dağ, “İNSANSIZ HAVA ARACI KANADINDA RİB SAYISINDAKİ VE MALZEMESİNDEKİ DEĞİŞİME BAĞLI DEFORMASYONUN İNCELENMESİ,” researchgate.netN YILDIRIM, S KURTAR, G BEDENLİ, T DAĞ, M ÖZTÜRK, T ÜNLERresearchgate.net, 2022, Accessed: Feb. 01, 2025. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/profile/Tarik-Uenler-2/publication/362072459_INSANSIZ_HAVA_ARACI_KANADINDA_RIB_SAYISINDAKI_VE_MALZEMESINDEKI_DEGISIME_BAGLI_DEFORMASYONUN_INCELENMESI/links/62d557698fb4871182264335/INSANSIZ-HAVA-ARACI-KANADINDA-RIB-SAYISINDAKI-VE-MALZEMESINDEKI-DEGISIME-BAGLI-DEFORMASYONUN-INCELENMESI.pdf
3. [3] A. Cankurt, “OPTIMUM DESIGN OF COMPOSITE STIFFENED PANELS WITH INSTABILITY CONSIDERATIONS A THESIS SUBMITTED TO THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES OF MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY,” 2013.
4. [4] T. Dag, N. Yildirim, G. Senturk, M. Durmazoglu, S. Yildirim, and M. Uyaner, “Virtual Investigation on the Response of Glare to Low Velocity Impact,” Proceedings of 10th International Conference on Recent Advances in Air and Space Technologies, RAST 2023, 2023, doi: 10.1109/RAST57548.2023.10198016.
5. [5] M. Kazemi and G. Verchery, “Design of composite laminated plates for maximum buckling load with stiffness and elastic modulus constraints,” Compos Struct, vol. 148, pp. 27–38, Jul. 2016, doi: 10.1016/J.COMPSTRUCT.2016.03.051.
6. [6] K. Tekkanat and Ö. Keleş, “Uçak Kanadının Entegre Güçlendirilmiş Panel Yapıları Kullanılarak Yapısal Tasarımı **,” European Journal of Science and Technology Special Issue, pp. 64–71, 2020, doi: 10.31590/ejosat.araconf9.
7. [7] L. Lanzi and V. Giavotto, “Post-buckling optimization of composite stiffened panels: Computations and experiments,” Compos Struct, vol. 73, no. 2, pp. 208–220, May 2006, doi: 10.1016/J.COMPSTRUCT.2005.11.047.
8. [8] K. Kumar, A. Kumar, M. Kumar, and A. Info, “Design and analysis of composite overwrapped pressure vessel with analysis of various overwrapping pattern,” Article in International Journal for Modern Trends in Science and Technology, vol. 8, no. 06, pp. 27–32, 2022, doi: 10.46501/IJMTST0806005.

9. [9] W. Miller, C. Smith, F. Scarpa, K. E.-C. S. and, and undefined 2010, “Flatwise buckling optimization of hexachiral and tetrachiral honeycombs,” ElsevierW Miller, CW Smith, F Scarpa, KE EvansComposites Science and Technology, 2010•Elsevier, 2009, doi: 10.1016/j.compscitech.2009.10.022.
10. [10] N. Bouslama, A. Maslouhi, and P. Masson, “Experimental and numerical investigation of damage evolution in carbon fiber reinforced polymer stiffened panel in post-buckling regime,” Article Journal of Composite Materials, vol. 2022, no. 15, pp. 2455–2470, 2019, doi: 10.1177/00219983221096888.
11. [11] M. Petyt, Introduction to finite element vibration analysis. 2010. Accessed: Jan. 23, 2024. [Online]. Available: https://books.google.com/books?hl=tr&lr=&id=N71ACcE-dXwC&oi=fnd&pg=PR11&dq=Petyt,+Maurice.+Introduction+to+finite+element+vibration+analysis.+Cambridge+university+press,+2010&ots=egbGd8ZttB&sig=AeXoc_pQM42hmRvsoPr80zLxnSs
12. [12] O. Das, H. Ozturk, and C. Gonenli, “Dynamic and Buckling Analysis of the Laminated Composite Curved Plate Frame Structures,” AKU J. Sci. Eng, vol. 23, pp. 228–246, 2023, doi: 10.35414/akufemubid.1071280.
13. [13] E. Altunsaray, I. B.-T. Dergi, and undefined 2021, “Buckling Analysis of Symmetrically Laminated Rectangular Thin Plates under Biaxial Compression,” dergipark.org.trE Altunsaray, I BayerTeknik Dergi, 2021•dergipark.org.tr, vol. 32, no. 6, pp. 2021–11287, Nov. 2021, doi: 10.18400/tekderg.606620.
14. [14] H. Ersoy, B. Akgöz, and Ö. Civalek, “Static analysis of laminated conical shells by Discrete Singular Convolution (DSC) approach,” KSCE Journal of Civil Engineering, vol. 18, no. 5, pp. 1455–1463, 2014, doi: 10.1007/S12205-014-0314-8.
15. [15] D. Quinn, A. Murphy, W. Mcewan, and F. Lemaitre, “Stiffened panel stability behaviour and performance gains with plate prismatic sub-stiffening,” Thin Walled Structures, vol. 47, pp. 1457–1468, 2009, doi: 10.1016/j.tws.2009.07.004.
16. [16] A. Ö. Çiftçioğlu, “Kısıtlı Mühendislik Problemlerinin Karşılaştırmalı Ağırlık ve Maliyet Optimizasyonu,” dergipark.org.trAÖ ÇiftçioğluMühendis ve Makina, 2021•dergipark.org.tr, Accessed: Jan. 23, 2024. [Online]. Available: https://dergipark.org.tr/en/pub/muhendismakina/article/1034211
17. [17] O. Halis TOTUK, S. Mıstıkoğlu, and M. A. Güvenç, “Design, Optimization, Simulation, and Implementation of a 3D Printed Soft Robotic Peristaltic Pump,” 2023, doi: 10.21203/rs.3.rs-3182693/v1.
18. [18] M. Ali Güvenç, M. Çakır, and S. Mistikoglu, “Experimental Study on Optimization of Cutting Parameters by Using Taguchi Method for Tool Vibration and Surface Roughness in Dry Turning of AA6013,” 2019, Accessed: Jan. 23, 2024. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/336251906
19. [19] M. Fakoor, S. M. N. Ghoreishi, and M. Aminjafari, “Multi-objective Optimization of Buckling Load for a Laminated Composite Plate by Coupling Genetic Algorithm and FEM,” 2019.
20. [20] X. Chen, M. Li, N. An, and J. Zhou, “Maximizing buckling load of metabeams via combinatorial optimization of microstructures,” Modern Physics Letters B, vol. 37, no. 23, Aug. 2023, doi: 10.1142/S021798492350077X.
21. [21] Z. Yang, Y. Cao, J. Liu, Z. ; Yang, Y. ; Cao, and J. A. Liu, “A buckling analysis and optimization method for a variable stiffness cylindrical pressure shell of AUV,” mdpi.comZ Yang, Y Cao, J LiuJournal of Marine Science and Engineering, 2021•mdpi.com, 2021, doi: 10.3390/jmse9060637.