Mechanical interface optimization of printed circuit boards using multi-objective genetic algorithm
Çok amaçlı genetik algoritma kullanılarak baskılı devre kartlarının mekanik arayüz optimizasyonu
- Tez No: 1021715
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı ve Akışkan Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yıllar içerisinde insanlığın farklı ihtiyaçlarına karşılık verebilmek için teknolojide pek çok gelişme gerçekleşti. Artan ihtiyaçların karşılanabilmesi için teknolojik ekipmanların daha hızlı, daha küçük ve daha güçlü olması gerekti. Bu gereklilikler neticesinde farklı alanlarda farklı mühendislik zorlukları meydana geldi. Bu zorluklardan bir tanesi yüksek güçte çalışan teknolojik donanımların makul sıcaklıklarda kontrol altına alınabilmesi problemidir. Bu ihtiyaçların en çok hissedildiği ve ısıl kontrol probleminin en zorlu olduğu alanlardan birisi ise uzay sektörüdür. En ufak bir parçanın bile uzaya fırlatılmasının oldukça maliyetli olduğu düşünüldüğünde daha küçük bir hacimde daha fazla işlem kapasitesine duyulan ihtiyaç daha belirgin olmaktadır. Küçük bir hacimdeki ihtiyaç duyulan yüksek işlem kapasitesi ise yaydığı yüksek ısıdan dolayı aşırı sıcaklık problemlerine neden olmaktadır. Uzay ortamında çalışan bir ekipmanın yaydığı ısıyı efektif bir şekilde tahliye edememesinden dolayı aşırı ısınması, ekipman içerisinde bulunan komponentlerin çalışma sıcaklık limitlerini aşmalarına ve görev ömürlerini tamamlayamadan bozulmalarına neden olmaktadır. Taşınım ile ısı transferine olanak sağlayacak herhangi bir ortamın bulunmadığı zorlu uzay ortamında yayılan yüksek ısının verimli bir şekilde tahliye edilememesi sektördeki en büyük problemlerden bir tanesidir. Bu sebeple uzay ortamında görev alacak herhangi bir elektronik devre kartı tasarımının ısıl performansının optimize edilmesi elzemdir. Uzay ortamına gönderilen bir elektronik donanımın altından kalkması gereken bir başka zorlu problem ise fırlatma ve güneş panelinin açılması gibi uzay ortamındaki piroşok uygulamaları sırasında maruz kaldığı yüksek şok ve titreşim yükleridir. Uzay görevinde yer alacak herhangi bir yapı uzaya ulaşabilmek için bir fırlatmaya ihtiyaç duymaktadır. Dünyanın kütle çekim kuvvetinden kurtulabilmek için ise çok güçlü roketler kullanılır. Bu yüksek ateşleme gücü nedeniyle roketin taşıdığı görev yükü yıkıcı şok ve titreşim yüklerine maruz kalır. Bu yapısal stres altında yapıda meydana gelebilecek plastik deformasyonlar ya da kırılmalar uzay görevinin başarısını riske atabilir. Yapısal yapı herhangi bir hasara mahal vermeyecek gerekli mukavemette tasarlansa bile uzay aracında yer alan ekipmanlardaki komponentlerin bağlantı lehimlerinde meydana gelecek en ufak bir mikro çatlak sinyal veya güç iletimini bozarak ilgili görevin yerine getirilememesine neden olabilir. Bu tehlikeli yapısal yüklerle yalnızca fırlatma sırasında değil aynı zamanda uzay ortamında da karşılaşılabilir. Uzay araçlarının güneş panellerinin açılması ya da fırlatıcı araçtan ayrılma sırasında kullanılan patlayıcılar da benzer şok yüklerine neden olabilir. Aynı ısıl performansta olduğu gibi bir elektronik devre kartı yüksek yapısal yükler altında sağlam kalabilmeyi başaracak kadar yapısal anlamda optimize olmalıdır. Bu farklı branşlardaki optimizasyonların bir analiz ve tasarım mühendisi tarafından yeterli bir başarı düzeyinde gerçekleştirilmesi mümkün olsa dahi çok uzun zaman alacaktır. Bu nedenle bu çok amaçlı optimizasyon problemi bilgisayar destekli bir otomasyon algoritması ile çözümlenmelidir. Bir uzay görevi ekipmanında bulunan bir baskılı devre kartının zorlu uzay koşullarının neden olduğu ısıl ve yapısal zorlukların üstünden gelebilmesi için gerekli optimizasyon çoğunlukla kartın bağlantı arayüzlerinin konumlarına bağlıdır. Devre kartı için tasarlanan doğru noktalardaki bağlantı arayüzleri komponentlerin yaydıkları fazla ısıları efektif bir şekilde yüksek sıcaklık artışına neden olmadan mekanik şaseye aktarmayı sağlarken aynı zamanda komponent lehim bağlantılarına iletilen yapısal yükleri sönümleyerek mikro çatlakların oluşmasını engelleyebilmektedir. Kart üstündeki bu bağlantı arayüzlerinin konumlarının optimize edilebilmesi için bu alanda sıkça kullanılan bir arama yöntemi olan genetik algoritma tercih edilmiştir. Genetik algoritma doğada gözlemlenen evrimsel süreci temel alan bir arama optimizasyon yöntemidir. Doğada bulunan bir canlı popülasyonundaki bireylerin çevrelerine olan uyumları onların hayatta kalma ve genlerini bir sonraki nesle aktarma olasılıklarını etkilemektedir. Çevrelerine yeterince uyum sağlayan bireyler hayatta kalıp üreyebilirken, yeterince uyum sağlayamayan bireyler popülasyondaki daha uyumlu bireylerle rekabet edemeyip gen havuzundan kaybolurlar. Hayatta kalacak kadar şanslı ve başarılı olan bireyler çiftleşerek popülasyona yeni bireyler kazandırır ve genetik çeşitliliği arttırırlar. Popülasyon, çaprazlamaya ek olarak mutasyon yoluyla da yeni gen yapıları elde edebilir. Popülasyondaki bireylerin bazılarının genlerinde meydana gelen bu olumlu ya da olumsuz olabilen küçük değişimler bireyin karakteristiğinde ciddi değişikliklere neden olmasa da popülasyondaki genetik çeşitliliğin artmasına neden olur. Optimizasyon problemini çözebilmek için uygun tasarım parametreleri belirlendiğinde, doğada gözlemlenen bu evrimsel mekanizmalar bilgisayar ortamına aktarılabilmekte ve çözüm yöntemi olarak kullanılabilmektedir. Genetik algoritma; seçilim, mutasyon ve çaprazlama gibi evrimsel alt mekanizmaları kullanarak rastgele tasarımlardan amaç fonksiyonuna en uygun tasarımı elde etmeye çalışmaktadır. Optimizasyon sonucu tamamen amaç fonksiyonu değerlendirmelerine bağlı olduğu için doğru amaç fonksiyonunun belirlenmesi optimizasyon süreci için oldukça önemlidir. Problemin tasarım parametreleri uygun genetik kod yapılarına dönüştürülerek bu alt mekanizmalar doğrultunda arzulanan optimizasyon sonucu elde edilmektedir. Rastgele türetilen tasarımlar doğadaki çevresel etkilere benzer olarak amaç fonksiyonunun etkisi sonucunda şekil alır. Bu nedenle optimizasyon her çalıştırıldığında farklı bir optimum tasarım elde edilebilmektedir. Bunun sebebi, genetik algoritmanın rastgele değerler kullanarak arama uzayındaki en uygun tasarımı değil en uygun tasarımlardan bir tanesini bulmaya çalışmasıdır. Uzay ortamında görev alan devre kartları vakum ortamından dolayı yaydıkları fazla ısıları taşınım yoluyla tahliye edemezler. Devre kartı ve ortam arasındaki sıcaklık farkının yüksek olmadığı durumlarda ise radyasyon ile atılan ısı miktarı oldukça kısıtlı kalmaktadır. Bu nedenle bu tarz uygulamalarda ısıl kontrol yalnızca iletim yoluyla sağlanabilmektedir. Kartın yapısal bütünlüğünü sağlamak ve çevresel etkenlere karşı kritik komponentleri koruyabilmek amacıyla çevreve yapısında mekanikler kullanılmaktadır. Bu mekanik şasenin baskılı devre kartına stratejik bölgelerden bağlanması hem komponentlerin yaydığı fazla ısının karttan uzaklaştırılmasına hem de yüksek şok ve titreşim yükleri altında komponentlerin maruz kalacağı deplasmanı azaltarak lehim bağlantılarında oluşabilecek hasarların önlenmesine olanak sağlar. Bu çalışmada mekanik şasenin ve devre kartının arasında bulunan bağlantı arayüzlerinin konumları tasarım parametresi olarak seçilmiştir. Kart üstündeki uygun bölgelere belirlenen sayıdaki bağlantı arayüzleri tamamen rastgele şekilde atanarak farklı kart tasarımlarından oluşan bir popülasyon oluşturulmuştur. Daha sonrasında bu popülasyondaki tasarımlar, belirli bir ortam sıcaklığı şartlandırması ve yapısal yük altındaki performansları değerlendirilmiştir. Tanımlanan amaç fonksiyonu doğrultusunda daha düşük komponent sıcaklığı ve deplasmanı sağlayan arayüz tasarımlarına daha yüksek puanlar tanımlanırken, daha yüksek sonuç sağllayan tasarımlara daha düşük puanlar verilmiştir. Daha sonrasında tasarımların elde ettikleri puanların tamamı 0 ve 1 arasına sıkıştırılmıştır. Yeni bir nesil için seçilim yapılacağı zaman bu aralıkta oluşturulan bir rastgele sayı aracılığıyla yeni nesle aktarılacak tasarımlar seçilmiştir. Yüksek bir puana sahip bir tasarım çok daha geniş bir aralığa sahip olacağı için bir sonraki nesle geçme ihitmali de daha büyük olmuştur. Nesil geçişlerinde amaç fonksiyonu değerlendirmesine bağlı olan bu seçilim mekanizmasına ek olarak mutasyon ve çaprazlama yöntemleriyle optimizasyon için gerekli olan genetik çeşitlilik sağlanmıştır. Optimizasyon parametresi olarak önceden belirlenmiş bir popülasyon yüzdesi her nesil geçişinde rastgele seçilerek mutasyona maruz bırakılmıştır. Rastgele seçilen bu kartların bazı bağlantı arayüzlerinin konumlarında yapılan rastgele küçük yer değiştirmeler ile mutasyon ilkesi uygulanmıştır. Gerçekleştirilen bu küçük değişim rastgele olduğu için yaratacağı etki pozitif ya da negatif olabilmektedir. Mutasyon sonucu kartta yapılan değişiklikler küçük boyutta olduğu için bu mekanizma çözüm uzayının genişletilmesinden daha çok başarılı tasarımları daha uygun hale getirecek olan küçük iyileştirmelerin elde edilmesinden sorumludur. Buna ek olarak çaprazlama mekanizması kullanılarak rastgele seçilen iki ebeveyn kart tasarımından elde edilen eşit sayıdaki bağlantı arayüzleri birleştirilerek yeni çocuk tasarımlar elde edilmiştir. Hem çaprazlama hem de mutasyon mekanizmaları uygulanırken birbirleri ile çakışan bağlantı arayüzleri meydana gelebilmektedir. İstenmeyen bu durumun kontrolü için her mutasyon ve çaprazlama işleminden sonra oluşan kart tasarımları bir çakışma değerlendirme fonksiyonu tarafından kontrol edilmiştir. Herhangi iki bağlantı deliğinin birbiri ile çakışması ya da birbirlerine fazla yakın olması durumunda ilgili fonksiyon sanal kuvvetler yöntemini kullanarak sorunlu deliklerin birbirlerine en az 1,5 delik çapı mesafesinde olmasını sağlayacak şekilde ayarlama yapmaktadır. Nesiller arası geçişte seçilim mekanizması her ne kadar amaç fonksiyonuna daha çok uyumlu tasarımları seçme yöneliminde olsa da şans eseri popülasyondaki en başarılı tasarımın seçilememe olasılığı da mevcuttur. Bu şanssızlık nedeniyle popülasyondaki en başarılı tasarımların kaybolmasının önüne geçilebilmesi adına elitizm mekanizması benimsenmiştir. Elitizm mekanizması sayesinde herhangi bir nesildeki en başarılı tasarım herhangi bir değişim ya da seçilim mekanizmasına maruz kalmadan ayrıcalıklı bir şekilde korunarak bir sonraki nesle taşınmaktadır. Böylelikle ilerleyen nesiller arasındaki başarı kaybı ihtimalinin önüne geçilmiştir. Açık kaynak olan Python programlama dili kullanılarak oluşturulan genetik algoritma yazılımına amaç fonksiyonu değerlendirmesi için gerekli olan ısıl ve yapısal analiz metotları da eklenmiştir. Belirtilen bu sayısal analizleri gerçekleştirebilmek adına sonlu farklar ve Rayleigh-Ritz yöntemleri kullanılmıştır. Popülasyondaki kart tasarımları önceden belirlenmiş detaydaki ızgara yapılarına bölünerek ilgili hesaplamalar her bir düğümde yeterli hassasiyet sağlanana kadar tekrarlanmıştır. Gerçekleştirilen sayısal yöntem analizlerinin sonuçlarının doğruluğunun teyit edilebilmesi için örnek olarak seçilen bir kart tasarımı ticari bir yazılım olan MATLAB PDE Solver Toolbox uygulamasında tekrarlanmıştır. Ticari yazılımda elde edilen sonuçlar Python yazılım dilinde hazırlanan sayısal yöntem sonuçlarıyla yeterli uygunluk göstermektedir. Benimsenen bu çok amaçlı optimizasyon yöntemi sayesinde kısa bir sürede baskılı devre kartlarının ısıl ve yapısal performansı arttıracak bir metot ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
Over the decades, numerous technological advancements have emerged to address the evolving needs of humanity. To satisfy these increasing demands, technological devices have been required to become faster, smaller, and more powerful. These requirements have introduced various engineering challenges across different domains. One of the most significant challenges is the thermal management of high-power hardware within acceptable temperature limits. The aerospace industry represents one of the most demanding fields where this thermal control problem is most severe. Considering the substantial costs associated with launching even the smallest components into space, the need for higher processing capacities within smaller volumes becomes increasingly evident. However, the high processing density required in such confined volumes leads to excessive heat dissipation per volume. In the harsh environment of space, where there is no medium to facilitate heat transfer via convection, the effective dissipation of high heat loads remains a critical problem. Hence, optimizing the thermal performance of any printed circuit board (PCB) designed for space missions is essential. Another formidable challenge for electronic hardware is the high shock and vibration loads encountered during rocket launch and pyroshock inducing space applications. Any structure involved in a space mission requires a launch vehicle to reach outer space. Extremely powerful rockets are employed to overcome the Earth's gravitational force. Due to this immense propulsion power, the payload is subjected to destructive shock and vibration loads. Any plastic deformation or structural failure occurring under such mechanical stress can jeopardize the overall success of the mission. Even if the mechanical structure is designed with sufficient strength to prevent catastrophic failure, even a minute micro-crack in the solder joints of components within the onboard equipment can disrupt signal or power transmission, leading to mission failure. These hazardous structural loads are encountered not only during the launch phase but also within the space environment itself. Pyrotechnic mechanisms used for the deployment of solar panels or the separation from the launch vehicle can also induce similar high-magnitude shock loads. Therfore, similar to thermal performance, a circuit board must also be structurally optimized to withstand these intense mechanical stresses. While it is possible for an analysis and design engineer to achieve these multi-disciplinary optimizations to a sufficient degree, the process is highly time-consuming. Therefore, this multi-objective optimization problem can be addressed by using a computer-based automation algorithm. The optimization required for a printed circuit board within space mission equipment to withstand the thermal and structural challenges imposed by harsh space environments is predominantly dependent on the positioning of the PCB's mechanical interfaces. Strategically designed mounting interfaces facilitate the effective transfer of excess heat dissipated by components to the mechanical chassis without causing significant temperature gradients. Simultaneously, these interfaces can dampen the structural loads transmitted to component solder joints, thereby preventing the formation of micro-cracks. To optimize the spatial distribution of these mounting interfaces on the PCB, genetic algorithms (GA), a widely utilized search and optimization method in this field, have been preferred. Genetic algorithm is an evolutionary computation technique that mimics the principles of biological evolution to solve complex search and optimization problems. By utilizing evolutionary sub-mechanisms such as selection, mutation, and crossover, it aims to derive the most suitable design for a defined objective function from an initial set of stochastic designs. The desired optimization is achieved by encoding the design parameters of the problem into an appropriate genetic representation and iteratively processing them through these aforementioned sub-mechanisms. In this study, the positions of the mechanical interfaces on the circuit board were selected as the design parameters. A population consisting of diverse board designs was generated by randomly assigning a predetermined number of mounting interfaces to the feasible regions on the board. Subsequently, successive generations were derived from this population by evaluating their fitness relative to an objective function aimed at minimizing component temperatures and displacements. In addition to the selection mechanism based on objective function evaluation, genetic diversity necessary for optimization was maintained through mutation and crossover methods during generational evolution. The mutation principle was implemented by applying random, minor movements to the positions of mechanical interfaces on randomly chosen boards. Furthermore, the crossover mechanism was utilized to produce offspring designs by combining an equal number of mounting interfaces from two randomly selected parent board designs. To prevent the accidental loss of high-performing designs in the evolutionary competition during generational transitions, an elitism mechanism was adopted. Through elitism, the most successful design of any given generation is privileged and transferred to the next generation without being subjected to any modification mechanisms. Consequently, the possibility of performance loss between generations was effectively eliminated. Thermal and structural analysis methods, essential for objective function evaluation, have been integrated into the developed genetic algorithm software using the open-source Python programming language. The finite difference (FDM) and Rayleigh-Ritz methods were employed to perform the specified numerical analyses. To verify the accuracy of the conducted numerical method analyses, a sample board design was replicated in the MATLAB PDE Toolbox, a well-established commercial software. The results obtained from the commercial software demonstrate a high level of agreement with the numerical analysis results generated via the custom script developed in the Python programming language. Through this adopted multi-objective optimization approach, a method has been established that significantly enhances the thermal and structural performance of printed circuit boards within a short computational timeframe.
Benzer Tezler
- Otomobil aydınlatma sistemlerinde kullanılan baskılı devre kartı üzerinde elektronik bileşenlerin en uygun şekilde dağılımını sağlayan kullanıcı arayüzünün oluşturulması
Creating an user interface that provides optimized distribution of electronic components on the printed circuit board used in automobile lighting systems
FAHRİ BERK BİLBAY
Doktora
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEMAL ÇAKIR
- Sürekli mıknatıslı baskılı devre endüvili doğrusal fırçasız doğru akım motoru tasarımı
Design of permanent magnet linear brushless direct current motor with printed curcuit armature
ÖZGÜR ÜSTÜN
Doktora
Türkçe
2000
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. R. NEJAT TUNÇAY
- Konik sürtünme diskli varyatörün sonlu elemanlar metodu ile analizi
Başlık çevirisi yok
SERKAN YÜRÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERDAR TÜMKOR
- Tek rotorlu Wankel motorunun ateşleme ve püskürtme ünitelerinin (kontrol ünitesinin) tasarımı, imalatı ve bilgisayar arayüzü ile kontrolü
Designing, producing and computer based controlling ignition and injection units (control units) of a single rotor Wankel engine
MEHMET İLTER ÖZMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEMAL BAYKARA
- Deformation behavior of thin walled structures filled with auxetic and non-auxetic core materials
Ökzetik ve ökzetik olmayan dolgu malzemeli ince cidarlı yapıların deformasyon davranışı
FATİH USTA
Doktora
İngilizce
2021
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
PROF. DR. FABRIZIO SCARPA