Geri Dön

Development of a CAD system for parametric and attribute-based modification of yacht hull models

Yat gövde modellerinin parametrik ve sıfat-tabanlı modifikasyonu için bilgisayar destekli tasarım sisteminin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 467255
  2. Yazar: SHAHROZ KHAN
  3. Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. ERKAN GÜNPINAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Konstrüksiyon ve İmalat Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 134

Özet

Bilgisayarların icadı ile, geleneksel tasarım ve üretim tekniklerinin yerini bilgisayar destekli tasarım, bilgisayar destekli mühendislik ve bilgisayar destekli imalat gibi gelişmiş tasarım teknikleri devralmıştır. Tasarımcılar, güvenilir ürünleri ve gelişmiş mühendislik tasarımlarını geliştirmek için bu teknikleri kullanmaktadır. Bilgisayar destekli tasarım alanında parametrik tasarım yaklaşımı, tasarımcıların tasarımlarının anında topolojik değişiklikler yapmasına yardımcı olan en güçlü tekniktir. Farklı araştırmacılar tarafından çalışılan sıfat tabanlı farklı tasarım tekniği olabilir. Bu araştırmanın amacı, tasarımcılar ve deniz mimarları için parametrik ve sıfat tabanlı yat gövdesi formları üretmek üzere sofistike bir tasarım platformu geliştirmektir. Bu tez çalışmasında, ilk önce bir yat gövdesinin parametrik tasarımı ve şekil değişikliği için yeni bir tasarım çerçevesi önerdik. Önerilen çerçeve, kayıcı tekne gövdesinin yanı sıra yer değiştirme ve yarı-yer değiştirme gövdeleri çeşitleri üretebilir. Bu çerçeveyi kullanarak, tasarımcılar, farklı keskin çizgiler ve baş çizgisi şekilleri ile klasik yatlardan modern yata gövde parçaları oluşturabilirler. Bu çerçevede, gövde üç bölgeye ayrılmıştır: giriş, orta ve arka bölgeleri. Bu şekilde, bir tasarımcının daha iyi tasarım esnekliği sahip olur, böylece daha çok gövde tasarım çeşitleri elde edilebilir. Her bölge, güverte çizgisi, omurga çizgileri, keskin eğri çizgileri ve istasyon çizgileri gibi teknenin karakteristik çizgilerini temsil eden bağımsız eğrilerden oluşur ve bu eğrilere özellik eğrileri denir. Giriş bölgesi baş için ekstra bir eğriye sahiptir. Her istasyon omurga kalınlığı hattı, keskin eğriler arası kalınlık hattı ve iki alt istasyon hattından oluşur. Özellik eğrileri, gövdenin genel şeklini oluşturur ve bezier eğrileri ile temsil edilir. Bezier eğrileri kompakt ve sezgisel matematiksel tanımlamalara sahiptir olduğundan önerilen tasarım çerçevesinde kullanılır. Bir tekne gövdesinin 3D yüzey modeli, her bir bölgede ayrı olarak özellik eğrileri arasındaki Coons Patches'lerinin interpolasyonu yapılarak üretilir. Her bölgede, eğer bir çift keskin eğri ve omurga kalınlığı mevcutsa, en az dört Coon Patches' i vardır. Giriş bölgesi bir dikdörtgen ve üç üçgen Coon Patches'den oluşmaktadır. İlk dikdörtgen Patches güverte hattı, dış keskin eğri çizgisi, baş çizgisi ve istasyon-1'in üst hattı arasında oluşturulur. İkinci Coon Pathes , iç keskin eğri, dış keskin eğri ve keskin eğri kalınlığı hatları kullanılarak yaratılan üçgen bir yamadır. Üçüncü Coon Patch, iç keskin eğri çizgisi, istasyon-1'in alt hattı ve ofset omurga çizgisi arasında oluşturulur. Dördüncü Coons Patch omurga çizgisi, omurga kalınlığı çizgisi ve ofset omurga çizgisi arasında oluşturulur. Uzama, genişleme, derinleşme, baş açısı, ön bölgedeki giriş açısı, güverte kavisi açısı, keskin eğri çıkarıcı, keskin eğri giricisi, keskin eğri kalınlığı, omurga kalınlığı, baş dikey uzunluğu, keskin eğri konumu, minimum eğrilik yarıçapı ve istasyon konkavitesi gibi şekil operatörleri de tanıtıldı ve yumuşak geçişli gövde, geometrik süreklilik ve parametrelerin bağımsız modifikasyonu gibi bazı kalite kriterleri göz önüne alınarak verilen tekne biçiminin modifikasyonu için uygulanmıştır. Yumuşak geçişli gövde, gövde estetiği ve hidrodinamik performans açısından önemli bir tasarım gerekliliğidir. Yumuşak geçişli olmayan gövde yüzeyleri izole burunların varlığına işaret eder. Yüzeydeki bu darbelerin görülmesi, direncini arttırarak gövde biçiminin hidrodinamik davranışını etkiler. İki bitişik özellik eğrisinin bağlantı noktasında G^0$ ve G^1$ süreklilikleri sürdürmektedir. Aksi takdirde, bu eğrilerden üretilen yüzeyler, bağlantı noktalarında sıkı ve düzgün şekilde bağlanmaz. Şekil operatörleri tasarım parametrelerini temel alarak tasarlanmıştır. Tek bir parametrenin değerini değiştirirken, diğer parametrelerin değerleri mümkün olduğunca aynı kalmalıdır. Bu şekilde, herhangi bir parametrenin değiştirilmesi, diğer parametre değerlerinin değiştirilmesine neden olmaz. Bu kriter, değişken gövde form nesilleri açısından daha iyi değişiklik sağlar. Modifikasyon sırasında eğri dağılımı giriş eğrisine benzer olan bir eğri elde etmek tercih edilir. Bu şekilde girdi ve değiştirilmiş eğriler benzer şekle sahip olabilir ve istenmeyen şekillerdeki eğrilerden kaçınılabilir. İstenmeyen özellik eğrilerinin kullanılması, gövde yüzey şekillerinin uygun olarak oluşturulamamasına neden olur. Bu nedenle, yumuşak geçişli ve uygulanabilir modifikasyonlu özellik eğrileri için yinelemeli bir yaklaşım kullanılmakta ve Kuragano ve Kasono tarafından önerilen tekniğe dayanılarak objektif bir fonksiyon getirilmektedir. Yinelemeli yaklaşım, girdi ve değiştirilmiş eğrinin eğrilik dağılımlarını karşılaştırır ve bu iki eğri arasındaki benzerliği değerlendirir. Giriş ve değiştirilmiş eğrilerin eğrilik grafiklerine yaklaşarak hesaplama yapıldığında eğer girdi eğrisi yumuşak geçişliyse değiştirilmiş eğri de yumuşak geçişlidir. Yat gövdelerinin sıfat tabanlı modellenmesi için, Teaching-Learning Based Optimization (TLBO) algoritmasına dayanan bir örnekleme tekniği önerdik. Son yıllarda, nüfusa dayalı bir algoritma olan, öğretme ve öğrenme ilkesiyle çalışan TLBO algoritması Rao ve diğerleri tarafından sunulmuştur. Bu algoritma, bir öğreticinin bir popülasyondaki öğrenicilerin kalitesi üzerine etkisine dayanmaktadır. TLBO, tanımlanan tasarım alanı içinde belirli bir boyut için ilk çözümler popülasyonunu rastgele üreterek optimizasyon işlemine başlar. Çözüm, iki aşamalı olarak geliştirilir: Öğretici aşaması ve Öğrenici aşaması. Popülasyon öğrenen sınıfı olarak kabul edilir. Tasarım değişkenleri, sınıftaki öğrenicilere sunulan konulara benzer. Öğretici aşamasındaki en iyi çözüm, tüm bölüm öğreticiler olarak düşünülür ve bu öğretici, bilgileri onlarla paylaşarak öğrenenlerin kalitesini yükseltmeye çalışır. Öğreticinin kalitesi, öğrenicilerin kalitesi üzerinde önemli etkiye sahiptir. Öğrenici aşamasında, öğreniciler diğer öğrenicilerle etkileşim kurarak kalitelerini yükseltmeye çalışırlar. Bu çalışmada, TLBO, S-TLBO olarak adlandırılan sınırlandırılmış ve sınırlandırılmamış CAD model örneklemesi için genişletilmiştir. Önceden tanımlanmış bir tasarım alanındaki N$ tasarımlarını örneklemek için, her biri ayrı öğrenicilerden oluşan N$ alt popülasyonlar oluşturulur. Öğretme ve öğrenme aşamaları, maliyet fonksiyonuna dayanan her bir alt popülasyon için tek tek uygulanır. Yinelemeler, maliyet değerlerinde değişiklik önemsiz derecede küçük olana kadar sürdürülür. Her bir alt popülasyondaki öğreticiler, S-TLBO'nun uygulanmasından sonra örneklenmiş tasarımlar olarak sayılıyor. Örnekleme sırasında örnek alınan tasarımlar, boşluk doldurma olarak adlandırılan tasarım alanına eşit şekilde yayılmalıdır. Fakat bu kriter, tasarımların büyük bir bölümünü özellikle yüksek boyutlu örnekleme problemleri için tasarım alanının köşelerine ve sınırlarına yerleştirme eğilimindedir. Bu sorunun üstesinden gelmek için, tasarımlar mümkün olduğunca Latin Hypercube tasarımları sınıfında aranmaktadır. LH tasarımları için kural, çakışmamak olarak adlandırılır; bu, örneklenmiş tasarımların aynı tasarım parametre değerlerini paylaşmadığı anlamına gelir. Bu çalışmada, CAD modelleri örneklenirken boşluk doldurma ve çakışmama dikkate alınır. Örnekleme sırasında, örnek alınan tasarımlar tasarım alanında farklı konumlarda olmalıdır. Bu nedenle, fiziksel bir analojiyi izleyen Audze ve Eglais tekniğine dayanan bir maliyet fonksiyonu kullanılmaktadır: Bir uzaydaki moleküller, bir boşlukta birbilerine potansiyel enerjiye yol açan itme kuvvetleri uygularlar. Bu moleküller, minimum potansiyel enerji durumunda denge halindedir. Tasarım alanındaki tasarımlar moleküller olarak düşünülebilir. Sınırlı tasarım örneklemesi için, sabit tasarım alanındaki tasarımları örneklemek amacıyla S-TLBO tekniğinde bir statik kısıtlama taşıma mekanizması kullanılır. Böylece örneklenmiş tasarımlar önceden tanımlanmış tasarım kısıtlamalarını karşılar. Sıfat tabanlı yat gövdesi modellemesi yapmak için, sınırlandırılmış tasarım alanı örneklemesi için S-TLBO kullanılır. Doğan, yat gövdesini temsil etmek için güçlü, hızlı, estetik gibi farklı nitelikler için matematiksel modeller üretti. Yaklaşımında Doğan, gövde geometrileri ve gövde özellikleri arasındaki ilişkiyi öğrenmek için üç farklı anket düzenledi. Bu anketlerden farklı yat gövdesi için veri setleri oluşturulmuştur. Daha sonra, bu veri setleri, gövde özellikleri ve gövde formları arasındaki ilişkileri matematiksel modeller şeklinde belirlemek ve GMDH tipi sinir ağı yetiştirmek için kullanıldı. Sıfat tabanlı modeller üretmek için, S-TLBO kısıtlı tasarım alanlarında kullanılmakta ve Doğan'ın çalışmalarından alınan matematiksel modeller, tasarım kısıtlamaları olarak uygulanmaktadır. S-TLBO bu tasarım kısıtlamalarını göz önünde bulundurarak tasarım örneklemesi yapar, böylece sıfat tabanlı tekne formları oluşturulur. Parametrik tabanlı tasarım çerçevesinin ve S-TLBO'nun performansı çeşitli deneylerle test edilmiştir. Bu tez deneyleri, şekil operatörlerinin uygulanması ile önerilen tasarım çerçevesini kullanarak çeşitli gövde şekillerinin üretilebileceğini göstermiştir. Deneyler, S-TLBO'nun sınırlandırılmış ve sınırlandırılmamış tasarım alanlarında örnekleme yapmak için sağlam olduğunu ve sıfat temelli yat gövdesi formları üretebildiğini ortaya koymaktadır. Sonuçlar, özellikle çok sayıda numune üretildiğinde S-TLBO'nun en gelişmiş tekniklerden daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymuştur. Son olarak, önerilen teknikler temel alınarak, ModiYacht adı verilen bir kullanıcı uygulaması geliştirildi. ModiYacht, parametrik tabanlı tasarım modifikasyonu ve yat gövdesi formlarının sıfat tabanlı üretimi olarak iki modülden oluşmaktadır.

Özet (Çeviri)

With the invention of computers, traditional design and manufacturing techniques have been taken over by advanced design techniques, such as computer-aided design, computer-aided engineering and computer-aided manufacturing. Designers have been utilizing these techniques to develop reliable products and advanced engineering designs. In the field of computer aided design, parametric design approach is the most robust technique which helps designers to perform instant topological changes of their designs. Another design technique can be attribute-based design which has been studied by different researchers. The aim of this research is to develop a sophisticated design platform for designers and naval architects to generate parametric and attribute-based yacht hull forms. In this dissertation, we first proposed a new design framework for the parametric design and shape modification of a yacht hull. In this framework, the hull is divided into three regions (entrance, middle and run) and each region is represented separately. In this way, a designer has better design flexibility so that higher design variations of the hull can be achieved. Each region consists of keel line(s), deck line, chine line(s) and station lines that are represented using Bezier curves and these lines are called feature curves. A 3D surface model of a yacht hull is obtained by generating Coons patches using feature curves. Shape operators are also introduced and implemented for the modification of the given hull shape while considering some quality criteria such as hull fairness. For the attribute based modeling of yacht hulls, we proposed a sampling technique based on the Teaching-Learning Based Optimization (TLBO) algorithm. TLBO algorithm has been presented in recent years by Rao et al., which is a population-based algorithm and operates on the principle of teaching and learning. This algorithm is based on the influence of a teacher on the quality of learners in a population. In this study, TLBO is extended for constrained and unconstrained CAD model sampling which is called S-TLBO. To sample $N$ designs in a predefined design space, $N$ sub-populations are first generated each of which consists of separate learners. Teaching and learning phases are applied for each sub-population one by one which are based on a cost (fitness) function. Iterations are performed until change in the cost values becomes negligibly small. Teachers of each sub-population are regarded as sampled designs after the application of S-TLBO. For unconstrained design sampling, the cost function favors the generation of space-filling and Latin Hypercube designs. Space-filling is achieved using the Audze and Eglais' technique. For constrained design sampling, a static constraint handling mechanism is utilized to penalize designs that do not satisfy the predefined design constraints. Dogan proposed attribute-based mathematical equations for yacht hull modeling. These equations are employed as constraints, and S-TLBO is implemented in constrained design spaces to generate attribute-based yacht hull forms. Performance of both parametric-based design framework and S-TLBO is tested through several experiments. Experiments in this dissertation showed that a variety of hull shapes can be generated using the proposed design framework with the application of the shape operators. Experiments reveal that S-TLBO is robust to perform sampling in constrained and unconstrained design spaces and can produce attribute-based yacht hull forms. Results also showed that S-TLBO outperforms state-of-the-art techniques particularly when a high number of samples are generated. Finally, based on the proposed techniques a user application called ModiYacht is developed. ModiYacht consists of two modules: one for the parametric-based design modification and the other for the attribute-based generation of yacht hull forms.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    335795

    Bir uçak kanadının hücum kenarına kuş çarpmasının sayısal olarak modellenmesi ve analizi

    Numerical modeling and analysis of bird strike on an air plane wing leading edge

    SİNAN TAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU

  2. Tez No

    455404

    Dizel motorlarda yanma gürültüsünün transfer fonksiyonunun incelenmesi

    Investigation of combustion transfer function on diesel engines

    İBRAHİM ÇİYLEZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK EROL

  3. Tez No

    46579

    Mimari bir dilin biçim grameri analizi ve bilgisayar ortamında sunumu

    Başlık çevirisi yok

    EDA VELİBAŞOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ

  4. Tez No

    83133

    Sanal gerçeklik ve mimari tasarımındaki rolü

    Virtual reality and its role on architectural design

    CİHAT ÜNALDI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ

  5. Tez No

    517314

    Yapı bilgi modelleme tabanlı hesaplamalı tasarım yaklaşımı ile mimari tasarım iş akışlarının verimliliğinin sağlanması

    Ensuring the efficiency of architectural design workflowswith computational design approach based on building information modeling

    AYŞEGÜL ÖZLEM BAYRAKTAR SARI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MERYEM BİRGÜL ÇOLAKOĞLU

Geri Dön