Jet motor braketi için eklemeli imalata yönelik topoloji optimizasyonu tabanlı tasarım

Creative Commons License

ELMAS K. C., Öndürücü A.

Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, cilt.17, sa.0, 2026 (TRDizin)

Özet

Havacılık sektöründe yapısal bileşenlerin hafifletilmesi, yakıt verimliliğini artırmak ve performansı iyileştirmek açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, General Electric tarafından sağlanan bir jet motor braketi modeli üzerinde eklemeli imalata yönelik yoğunluk tabanlı topoloji optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon çalışmaları, ANSYS Mechanical Topology Optimization modülünde SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) yöntemi kullanılarak yürütülmüş ve Ti-6Al-4V titanyum alaşımı esas alınmıştır. Dört farklı yükleme senaryosu altında gerçekleştirilen sonlu eleman analizleri ile kritik yük yolları belirlenmiş, yük taşımaya katkısı düşük bölgeler tasarımdan uzaklaştırılmıştır. Optimizasyon sürecinde başlangıç hacminin %40’ının korunması hedeflenmiş ve elde edilen ham geometri, minimum 2 mm et kalınlığı, 45° destek açısı kriteri ve ±0,1 mm tolerans dikkate alınarak CAD ortamında yeniden modellenmiştir. Nihai tasarımın doğrulama analizlerinde maksimum Von Mises gerilmesi 612.17 MPa olarak hesaplanmış olup, bu değer Ti-6Al-4V malzemesi için 1.5 emniyet katsayısı esas alınarak belirlenen 633 MPa izin verilen gerilme sınırının altında kalmıştır. Başlangıç tasarımına göre kütle 2.05167 kg’dan 0.73138 kg’a düşürülmüş ve %64.3 oranında ağırlık azaltımı sağlanmıştır. Başlangıç ve optimize tasarımlar arasındaki maksimum gerilme artışı %2.3 ile %6.3 arasında değişmiş, emniyet katsayısındaki azalma ise yaklaşık %2.5 ile sınırlı kalmıştır. Elde edilen sonuçlar, topoloji optimizasyonu ile eklemeli imalat için tasarım yaklaşımının birlikte kullanılmasıyla havacılık uygulamalarında yüksek yapısal verimlilik, üretilebilirlik ve önemli ölçüde hafifletme sağlanabileceğini göstermektedir.
Lightweighting of structural components is of critical importance in aerospace applications to improve fuel efficiency, reduce emissions, and enhance overall system performance. In this study, density-based topology optimization for additive manufacturing was performed on a jet engine bracket model provided by General Electric. The optimization process was carried out in the ANSYS Mechanical Topology Optimization module using the Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) method, considering Ti-6Al-4V titanium alloy as the structural material. Finite element analyses under four different loading scenarios were conducted to identify critical load paths and eliminate regions with low structural contribution. During optimization, 40% of the initial design volume was retained. The resulting raw geometry was remodeled in CAD by incorporating additive manufacturing constraints, including a minimum wall thickness of 2 mm, a 45° overhang criterion, and a dimensional tolerance of ±0.1 mm. Verification analyses of the final design yielded a maximum Von Mises stress of 612.17 MPa, which remained below the allowable stress limit of 633 MPa determined by applying a safety factor of 1.5 to the 950 MPa yield strength of Ti-6Al-4V. The bracket mass was reduced from 2.05167 kg to 0.73138 kg, corresponding to a 64.3% weight reduction. The increase in maximum stress relative to the initial design ranged from 2.3% to 6.3%, while the reduction in the safety factor was limited to approximately 2.5%. The results demonstrate that integrating topology optimization with Design for Additive Manufacturing provides a robust approach for achieving substantial lightweighting, structural integrity, and manufacturability in aerospace bracket applications.