Bu çalışmada amaç, bilgisayar destekli sonlu elemanlar analizi kullanılarak bir topoloji optimizasyonu ve ağ yapısı optimizasyonu yaklaşımı ile ideal geometriye ulaşmaktır. Topoloji optimizasyonunda ve ağ yapısal optimizasyonunun ilk aşamasında yoğunluk yöntemiyle (SIMP) klasik topoloji optimizasyonu kullanılmıştır. Ardından, kiriş yapısı optimizasyonunun ikinci aşaması için birinci aşamada tasarlanan kiriş yapılarına boyut optimizasyonu uygulanmıştır.
Elde edilen sonuçlara göre, ağ yapısını optimize ederek topolojiyi optimize etmekten daha güvenilir yapısal yapılar oluşturmak mümkündür ve hücresel ağların hem konfigürasyonlarının hem de yerleşimlerinin mesh yapısının genel performansını önemli ölçüde etkilediği bulunmuştur. 3D baskı/katmanlı üretim, küresel endüstride en çok kullanılan üretim yöntemlerinden biridir. Bu çalışmada ilk olarak başlangıç kısmının ağ yapısına sonlu elemanlar yöntemi uygulanmıştır.
GİRİŞ
Eklemeli Üretim (Additive Manufacturing - AM)
- Eklemeli üretim yönteminin çeşitleri
- Eklemeli üretim uygulamaları
Kısaca "Katmanlı İmalat", tasarım verilerinin dijital ortamdan çıkarılarak katman katman üretilmesi işlemidir. Eklemeli İmalat konusunda 1950'ler-1960'lar arasında çok fazla çalışma yapılırken, en önemli gelişme 1980'lerin başında diğer teknolojilerle birleştirildiğinde elde edildi. Baskı çözünürlüğü, herhangi bir katman kalınlığı olarak kabul edilebilir ve seçilen eklemeli üretim yönteminin türüne bağlıdır.
Malzemelerin verimli kullanımı: Geleneksel üretim yönteminde malzeme azaltılarak yapı oluşturulduğundan büyük miktarda malzemeye ihtiyaç duyulmaktadır.
Yapısal Optimizasyon
- Boyut optimizasyon (Size optimizasyon)
- Şekil optimizasyonu (Shape optimizasyon)
- Topoloji optimizasyonu
- Malzeme dağıtım yöntemi / SIMP
- Seviye kümesi yaklaşımı / LSA
- Evrimsel yapısal optimizasyon / ESO
- Homojenizasyon yöntemi / HM
- Optimizasyon kriterleri yöntemi / OCM
- Kafes (Lattice) optimizasyon
Son yıllarda, topoloji optimizasyonu, hem akademi hem de endüstride yapısal tasarım optimizasyonunda bir araştırma odağı haline geldi ve geniş çapta incelendi ve uygulandı. Aşağıda gösterilen Şekil 1.9'da, yukarıda belirtilen üç yapısal optimizasyon, Boyut, Şekil, Topoloji optimizasyonu sırasıyla şematik olarak gösterilmektedir. malzeme yoğunluğu; Elastik modül, elementin kalınlığına ve fiziksel özelliklerine (sertlik, termal iletkenlik, manyetik geçirgenlik, gözeneklilik vb.) bağlı olan parametrelerdir.
Uygulanan yük ve öngörülen hacim V ile bir yapı için SE yönteminin minimum uygunluk formatı aşağıda gösterildiği gibidir; Seviye Kümesi Yaklaşımı Wang ve diğerleri 2003), yapısal sınırdaki noktaların hızını ve tasarım kesinliğini, genel yapısal optimizasyon süreci arasında kritik bir bağlantı olarak tanımladı. S(t) = {x(t) ∶ Φ(x(t), t) = k} (1.5) Yukarıdaki denklemin zamana göre türevi alınarak ve zincirleme kuralı uygulanarak, “Hamilton-Jacobi - Type" karşılaştırması elde edilebilir.
K lokal rijitlik matrisi, ue eleman deplasman vektörü, k0 eleman rijitlik değeri, x tasarım değişkeni, xmin minimum bağıl yoğunluk, N eleman sayısı, p ceza faktörü, 𝑓 hacim oranı, V(x) ve V0 malzemenin hacmini temsil eder ve tasarım alanının hacmini ya da gösterir (Göv, 2009). Kafes yapıları, Şekil 1.10'da gösterildiği gibi, tekrar eden hücre şekilleri veya türleri ile oluşturulur. Ayrıca düşük yoğunluklarından dolayı ısı yalıtkanı olarak da etkin bir şekilde kullanılabilirler.
Her bir geometrinin karakteristik özellikleri sayesinde tasarlanan model üzerinde farklı mekanik özellikler elde edilebilmektedir.
LİTERATÜR ÖZETİ
Eklemeli Üretim
Topoloji Optimizasyon
Yapısal optimizasyon için kullanılan ticari yazılımların gelişmesiyle birlikte havacılık, otomotiv ve inşaat gibi birçok sektörde topoloji optimizasyonunun kullanımının yaygınlaştığını ve topoloji optimizasyon yönteminin daha çok yapısal problemlerin çözümünde hem doğrusal hem de doğrusal olarak kullanıldığını belirtmişlerdir. doğrusal olmayan bölgeler. Ayrıca topoloji optimizasyonunun kapsamının gelecekte daha da genişleyeceğini düşündüklerini söylediler. 2016), örneklere belirli kısıtlamalar uygulayarak ve uygulamadan yaygın olarak kullanılan topolojik yöntemi tasarladı ve ortaya çıkan modelleri karşılaştırdı. Diaz ve Bendose (1992), homojenleştirme yöntemini kullanarak çok yüklü sistemlerin optimizasyonunu inceledi. 2007), çalışmalarında topoloji optimizasyon yöntemlerini inceledi.
Çalışmalarında üç farklı optimizasyon yöntemi (boyut, topoloji ve şekil) kullanarak modellerini tasarlamışlar ve bu yöntemleri kullanarak ağırlığı azaltılmış yapıların tasarım maksimum rijitliğini tahmin etmede etkili bir yöntem olduğunu belirtmişlerdir. İlk aşamada genel topoloji optimizasyon yöntemi uygulanmış, ardından detayda daha iyi kalite sağlamak için tekrar topoloji optimizasyonu uygulanmıştır. Lin ve Chao (2000), çalışmalarında kabuk yapılarının topolojilerini otomatik olarak yorumlamak için yeni bir yöntem geliştirdiler.
Yaklaşım sonuçlarını birkaç örnek üzerinde gösterdiler ve türettikleri topoloji optimizasyon yönteminin, vonmis gerilimi ve çoklu yükler altındaki modeller için basitleştirilmiş bir alternatif yol olduğunu söylediler. Rozvany (2001) yaptığı çalışmada topoloji optimizasyonunun şekil veya boyut optimizasyonuna göre daha avantajlı olduğunu ve çok hızlı gelişen bir yapısal optimizasyon yöntemi olduğunu belirtmiştir. Bu çalışmalar ayrıca topoloji optimizasyon yönteminin ürün maliyetini ve üretim süresini azaltmak için kullanılabileceğini göstermiştir.
2003b), topoloji optimizasyonu ile şekil optimizasyonunu birlikte kullanarak modellemedeki eksiklikleri gidermek için farklı yaklaşımlar türeterek yeni bir modelleme yapmıştır. Topoloji optimizasyon yöntemi ile ilgili yukarıdaki çalışmalara ek olarak, uzay, havacılık ve otomobiller gibi birçok başka çalışma yapılmıştır.
Kafes (Lattice) Optimizasyon
2003a) endüstriyel çalışmalarda malzemenin verimli kullanılması gerektiğini vurgulamış ve tasarım geliştirme süreci sonunda elde edilen modelin ekonomik olarak üretilmesi, karmaşık geometriler yerine standart ve basit geometrilere sahip olması gerektiğini söylemiştir. Ayrıca sekizgen birim hücrelerin (oktet-truss ağları) ağırlığı azaltmak için kullanılan metal köpüklere bir alternatif olabileceğini belirtmişlerdir. Daha sonra oluşturulan modeli test ettiler ve standart ısı eşanjörleriyle karşılaştırdılar. 2013), eklemeli imalatta kullanılan destek yapısının ağırlığını azaltmak için ağ yapılarının destek olarak kullanılabileceğini belirtmiştir.
Daha sonra ürettikleri modelleri dayanıklılık özellikleri ve üretim süresi açısından karşılaştırdılar. 2017), kafes yapının darbe sönümlemesi ve mekanik özellikleri üzerine bir çalışma yürütmüştür. Bunun için iki farklı ağ yapısını modellediler, etki analizleri tasarladılar ve ardından bunları karşılaştırdılar. 2013), kafes yapılarda yorulmaya karşı sayısal bir yöntem geliştirdi. Daha sonra bu yöntemi mikro hava aracı (MAV) parçalarına uyguladılar. 2016), otomatik olarak farklı hücresel yapı türleri oluşturmak için yeni bir yaklaşım üzerinde çalıştı.
Sonlu elemanlar analizi ve çekme testi sonuçları karşılaştırıldığında birbirine yakın sonuçlar elde etmişler ve üçgen prizmanın kare ve altıgen prizmaya göre daha iyi olduğunu söylemişlerdir. 2018), dört farklı strateji kullanarak makas sistemini model içinde modelledi. Daha sonra elde edilen geometriler ile modelin ilk versiyonu arasındaki mekanik performansı, üretimi için gerekli olan destek yapısı gibi parametreler açısından karşılaştırdılar. 2014), uçak gövdesinin ağırlığını azaltmak için bir çalışma yürüttü. Önce genetik algoritma yöntemini kullanarak topoloji optimizasyonu yapmışlar, ardından kafes yapıyı kullanmışlar ve malzeme olarak karbon kompoziti kullanmışlardır.
2015), ızgara hücre yapılarının oryantasyonu ile ilgili iki aşamadan oluşur. Yapının konumunun yapısal özellikler üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu belirtmişlerdir. 2005), büyük uyumlu ağ yapılarının CAD modellerini verimli ve etkili bir şekilde oluşturmak için hibrit bir modelleme yöntemi geliştirildi. Sonuçları incelediklerinde, FCC ve VC mesh yapısının mekanik özellikler açısından ECC'den daha iyi performans gösterdiğini söylediler.
SONLU ELEMANLAR METODU
- Gerinim (Strain)
- Gerilim (Stress)
- Elastisite Modülü
- Akma Gerilmesi (Von-Mises Gerilmesi)
Fakat plastik deformasyonda kalıcı bir deformasyon vardır, yük kaldırılsa bile model eski haline dönemez (Anusavice, 1996). Kayma gerilmesinde, yüzeye paralel iki zıt kuvvet uygulanır ve kayma gerilmesi olarak bilinir. Elastisite modülü, malzemeye uygulanan gerilimin bu gerilimden kaynaklanan gerinime oranı ile bulunur.
Bir malzemenin elastisite modülü ne kadar büyükse, malzemenin plastik deformasyona uğramadan dayanabileceği kuvvet o kadar fazladır veya elastik uzama oranı aynı oranda azalır. Sonlu eleman analizlerine genellikle Von Mises gerilmesine bakılarak karar verilir ve analizlere bu üzerinden devam edilir. Von mises gerilimi, malzemede meydana gelen gerilimlerin ve kayma gerilimlerinin ortalamasıdır ve malzeme akmaz veya kırılmaz.
2σij′σij′ (3.7) Burada '𝜎𝑣𝑚' Von mise gerilme değerini, '𝜎' normal gerilmeleri, 'τ' kayma gerilmelerini, x, y ve z bu gerilmelerin bulunduğu düzlemleri, i, j ve k düzlem değişkenlerini temsil eder. .
SALINCAK KOLU’NUN KAFES ve TOPOLOJİ OPTİMİZASYONU
Ağ optimizasyonunun amacı, klasik topoloji optimizasyonu sırasında ortaya çıkan ara yoğunluk elemanlarını kafes hücreleriyle değiştirmektir. Mesh optimizasyon sonuçları ile topoloji optimizasyon sonuçları karşılaştırıldığında, daha iyi doğruluk ve performans elde etmek için mesh optimizasyonunun uygun bir çözüm olduğu sonucuna varılmıştır. İlk aşamada, genel olarak söylemek gerekirse, orta yoğunluklu elemanların belirli sınırlar dahilinde mesh hücreler ile değiştirildiği klasik topoloji optimizasyonu yapılır.
Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak optimizasyon için hazırlanan modele öncelikle klasik topoloji optimizasyonunun uygulanmasına karar verilmiştir. Statik analiz sonucunda elde edilen yoğunluk dağılımına göre kütle çıkarıldıktan sonra oluşturulması muhtemel model Şekil 4.8'de gösterilmiştir. Topoloji optimizasyonu sonrası oluşturulan modele statik analiz uygulanmış ve elde edilen sonuçlar; Maksimum yer değiştirme değeri 0,112 mm (Şekil Mpa maksimum Von Mises gerilimi (Şekil 4.11)) olarak belirlenmiştir.
Bu aşamada, tüm kirişlerin çapları tasarım kısıtlamalarını karşılayacak şekilde ayarlanır ve optimize edilmiş dosya oluşturulur (Şekil 4.13). Burada dikkat edilmesi gereken bir diğer konu ise Topology optimizasyonu ve mesh optimizasyonu ile modelde ağırlığın azaltılması ve toplam iskelet ağırlığının hafifletilmesidir. Üçüncüsü, tip 1 hücre yapısında %8,43, tip 2 hücre yapısında %6,59 ve tip 2 hücre yapısında %10,9 oranında azalma olduğu görüldü.
Maksimum yer değiştirme sonuçları incelendiğinde, topoloji optimizasyonu sonrası ikinci tip hücre yapısında en az gerinim değeri gözlenmiştir. Daha sonra bu diziliş birinci tip hücre yapısı ve üçüncü tip hücre yapısı olarak devam etti. Maksimum gerilme sonuçlarında en düşük değere sahip model, topoloji optimizasyonundan sonraki ikinci tip hücre yapısıdır.
SONUÇ VE ÖNERİLER
Fatigue design of lattice materials through computational mechanics, application to lattices with smooth transitions in cell geometry, International Journal of Fatigue. Effective material properties of an octet-truss lattice, Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Eklemeli imalat (3 dārādīga dārāz) teknolojilerinin edīdībāde kālīgaliği, International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry.
Population-based incremental learning with hybrid real code and differential evolution for multi-objective optimization of an automotive floor frame, Journal International of Vehicle Design. Hybrid Taguchi-Harmony Search Algorithm for Solving Engineering Optimization Problems, International Journal of Industrial Engineering Theory, Applications and Practice. An Effective Hybrid Immune Hill Climbing Optimization Approach for Solving Design and Manufacturing Optimization Problems in Industry, Journal of Materials Processing Technology.
Hybrid immune-simulated annealing algorithm for optimal design and fabrication, International Journal of Materials and Product Technology. A new hybrid particle swarm optimization approach for structural design optimization in the automotive industry, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. Hybrid Taguchi-differential evolution algorithm for optimization of multi-pass turning operations, Applied Soft Computing.
Cuckoo search algorithm for selecting optimal machining parameters in milling operations, International Journal of Advanced Manufacturing Technology. A comparative investigation of eight recent population-based optimization algorithms for mechanical and structural design problems, International Journal of Automotive Design.
