Homogenization and topology optimization based on isogeometric analysis using open-source C++ software framework
Açık kaynaklı C++ yazılımı kullanarak izogeometrik analize dayalı homojenizasyon ve topoloji optimizasyonu
- Tez No: 1006911
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Açık kaynaklı yazılım, Sayısal analiz, Sonlu elemanlar analizi, Topoloji optimizasyonu, Open source software, Numerical analysis, Finite element analysis, Topology optimization
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mühendislik ve Doğa Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, hesaplamalı malzeme homojenizasyonu ve yapısal topoloji optimizasyonu için sağlam bir çerçeve olarak İzogeometrik Analizin (IGA) efektifliğinin kapsamlı bir analizini sunmaktadır. Daha spesifik olarak, açık kaynaklı bir İzogeometrik Analiz (IGA) çerçevesi içinde üç aşamalı Asimptotik Homojenizasyon (AH) prosedürü aracılığıyla malzeme karakterizasyonu için bir iş akışı oluşturulmuştur. Bu yöntemin doğruluğu, değişen hacim oranlarında boşluklar ve malzeme eklentileri içeren bir referans kare birim hücre geometrisinin ticari Sonlu Eleman Analizi (FEA) yazılım sonuçlarıyla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Ayrıca, homojenizasyon sonuçlarının elemanlara ayırma stratejilerine duyarlılığı, kapsamlı h- ve p-sıkılaştırma yöntemleri ile incelenmiş ve yaklaşımın sayısal kararlılığı gösterilmiştir. Tezin ikinci bölümünde, IGA kullanan yeni bir topoloji optimizasyon çerçevesi sunulmaktadır. Bu çerçeve, geometrik gösterim ve fiziksel yanıt değerlendirmesi için NURBS'nin eş zamanlı kullanımı yoluyla tasarım ve analizi başarıyla entegre etmektedir. Geliştirilen yöntem, ankastre kiriş, MBB ve Michell kirişleri olmak üzere iyi bilinen kıyaslama örneklerine karşı titizlikle değerlendirilmiştir. Sonuçlar, katı bir hacim kısıt fonksiyonunun kullanımının, başlangıçtaki tasarım alanını, katı bir alandan uygulanabilir bir tasarım alanına hızla dönüştürdüğünü ve çözümün ve tasarımın elemanlar arası düzgünlüğünü artırmak için IGA formülasyonundan yararlanıldığını göstermektedir. Ele alınan tüm örneklerde yakınsama süreçlerinin stabil olduğu görülmüştür. Algoritma, yerel minimumları büyük bir hassasiyetle bulmayı başarmıştır. Elde edilen sonuçlar, IGA'nın mevcut CAD yazılımlarına kolaylıkla entegre edilebileceğini kanıtlamaktadır. Bu entegrasyonun, veri hazırlama aşamasında zaman kazandırırken sonuçların doğruluğunu da artıracağı öngörülmüştür. Ayrıca tezde geliştirilen analiz ve tasarım yaklaşımları ileride, izogeometrik yaklaşımın doğasında var olan yüksek mertebeden süreklilik avantajını kullanarak; üç boyutlu problemlere ve çok malzemeli yapılara uyarlanabilecek bir potansiyele sahiptir.
Özet (Çeviri)
This thesis offers an extensive analysis of the efficacy of Isogeometric Analysis (IGA) as a robust framework for computational material homogenization and structural topology optimization. More specifically, a rigorous workflow for material characterization through a three-step Asymptotic Homogenization (AH) procedure within an open-source Isogeometric Analysis (IGA) framework is established. The accuracy of this method is validated by comparing it to commercial Finite Element Analysis (FEA) software results of a benchmark square unit cell geometry with varying volume fractions of voids and material inclusions. Furthermore, the sensitivity of the homogenization results to discretization strategies was examined through comprehensive h- and p-refinement studies, demonstrating the method's numerical stability. In the second part of the thesis, a novel framework for topology optimization utilizing IGA is presented. The framework successfully integrates design and analysis through the simultaneous use of NURBS for geometric representation and physical response evaluation. The methodology was rigorously evaluated against well known benchmark examples, including the cantilever, MBB, and Michell beams. The results show that using a strict volume constraint enforcement strategy quickly turns the initial domain from a solid one into a feasible design space, taking advantage of the IGA formulation for increased inter element smoothness of the solution and the design. For all test cases, the convergence histories showed that they were stable. The algorithm was able to find local minima with great accuracy. All of these results show that IGA has the potential to be easily added to existing CAD platforms. This will save time on preprocessing and should allow for accurate results. The framework has room for improvement to be adapted to three-dimensional problems and multi-material structures benefiting from the high-order continuity inherent in the isogeometric paradigm for sophisticated design and analysis applications.
Benzer Tezler
- Homogenization-based computational design and two-scale performance optimization of electroactive structures
Elektroaktif yapıların türdeşleme temelli hesaplamalı tasarımı ve iki ölçekli davranış eniyilemesi
BERKAN DEDEOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKER TEMİZER
- Design, structural optimization and experimental validation of an additively manufactured aerospace sandwich panel with different lattice cores
Farkli kafes çekirdeklere sahip eklemeli imalatla üretilmiş bir havacilik sandviç panelinin tasarimi, yapisal optimizasyonu ve deneysel doğrulamasi
HASAN GENÇARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ULAŞ YAMAN
- Microstructure design of magneto-dielectric materials via topology optimization
Manyetik-dielektrik malzeme mikroyapılarının topoloji optimizasyon yöntemi kullanılarak tasarlanması
YASSER EL-KAHLOUT
Doktora
İngilizce
2009
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
- Design of a piezoresistive pressure sensor using topology optimization
Topoloji optimizasyonu ile piezorezistif basınç sensörü tasarımı
ECE NAZ ERÜLKER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
- Critical evaluation of variables, models, performance measures and methods for shape optimal design
Tasarımda biçim optimizasyonu için değişken, model, performans ölçütleri ve metotların eleştirisel değerlendirilmesi
MEHMET NAZİF PARKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KERİM KAR