Geri Dön

Lightweight design for an engine structural part by using topology optimization for additive manufacturing

Eklemeli imalat yöntemi için topoloji optimizasyonu kullanılarak yapısal bir motor parçasının hafifletişlmiş tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 511773
  2. Yazar: HASAN GÖRÜR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 107

Özet

Havacılık ve otomotiv endüstrisi araç ve aktarma organları tasarımında hafifletilmiş tasarım gün geçtikçe daha da önem kazanmaktadır. Şimdiye kadar her iki endüstride de önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da bazı yenilikçi tasarımlar üretim kısıtlamaları nedeniyle yapılmamaktaydı. Eklemeleri imalat yöntemlerindeki yeni teknolojiler sayesinde ürün tasarımı, geliştirilmesi ve lojistiğine ait yöntemler değişim geçirmektedir. Eklemeli imalat malzemeleri ve yenilikçi tasarım yöntemlerindeki güncel gelişmeler bu teknoloji entegrasyonunun birçok endüstriye uyarlanabilir kılmakatadır. Yaratıcı tasarımın en önemli araçlarından biri uzun yıllardır ürün optimizasyonunda kullanılmakta olan topoloji optimizasyondur. Buna rağmen kalıp çıkma yönü, kalıp çıkma açısı ve eşit et kalınlığı gibi birçok kısıtlama olmaktaydı. Eklemeli imalat yöntemi sayesinde, topoloji optimizasyonu sonuçları mümkün olduğunca direk olarak tasarıma yansıtılabilmektedir. Eklemeli imalatın en büyük avantajlarından birisi tasarım özgürlüğüdür. Hem tasarımcı hem de imalatçı için bu özgürlük aşikardır. Tasarımcılar çok geniş bir yelpazede tasarımlarını yaratabiliyorken imalatçılar da karmaşık geometrileri dahil geleneksel üretim yöntemlerinden daha kolay şekilde üretebilmektedirler. Her ne kadar tasarım uygulaması geleneksel yöntemlere göre daha kolay olsa da tasarım doğrulaması yapılmalı ve parça/sistem seviyesinde uygulanmak zorundadır. Doğrulama metotları geleneksel yöntemlere kıyasla neredeyse aynıdır. Doğrulama yöntemi olarak modal analiz ve yapısal gerilme analizi uygulanmaktadır. Literatür araştırmasında topoloji optimizasyonu ve eklemeli imalatla entegrasyonu üzerinde durulmuştur. İlk örnekte bir otomotiv aktarma organı braketinin geleneksel üretim yöntemlerine göre topoloji optimizasyonu çalışması incelenmiştir. Bu örneklerde değişebilir ve değişemez bölge tanımı, modal değerlendirme ve ağırlık azaltma çalışmaları gösterilmişir. Şimdiye kadarki otomotiv ve havacılık uygulamalarında yoğun olarak kullanılmıştır. Başka bir örnekte havacılıkta kullanılan bir mafsal braketi üretim yöntemi değişitirilerek bir yeniden tasarım örneği olarak sergilenmiştir. Malzeme değişimi ve tasarım güncellemesi katkısıyla oldukça belirgin bir ağırlık azaltması elde edilmiştir. Son örnekte topoloji optimizayonunu geleneksel tasarımlara uyarlarken kulanılabilecek farklı eklemeli imalat tasarım yaklaşımları sunulmuştur. Direk entegrasyon, kısmi entegrasyon ve CAD modelin yeniden modellenmesi gibi yaklaşımlar mümkün olmaktadır. Kısmi entegrasyonun en önemli avantajı ürün hayat döngüsü süresince güncellenebilir bir CAD modele olanak sağlamasıdır. İkinci kısımda topoloji optimizayonu teorisi ve metotları kısaca anlatılmıştır. Yapısal optimizasyonda her ne kadar boyut, şekil ve topoloji optimizasyonu kullanılsa da bu tezde sadece topoloji optimizasyonu bir optmizasyon metodu olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda yoğunluk ve homojeneştirme metodlarına da değinilmektedir. Üçüncü kısımda eklemeli imalat tarihçesi, tanımı, teknolojileri,malzemeleri ve boyutsal hassasiyetleri açıklanmıştır. Tüm endüstrilerde eklemeli imalat kabiliyetlerinin net anlaşılması başarılı bir tasarım için oldukça kritik öneme sahiptir. Başarılı bir hafifletme çalışması ve daha az tasarım ötelemesi için eklemeli imalat teknolojisi çok iyi bilinmelidir. Tasarım dönüşümü ve güncellenmiş tasarımın sanal doğrulaması için etkin yazılım kullanımı da oldukça önem kazanmaktadır. Güncel tasarım programı her ne kadar daha kolay kullanıma sahip olsalar da büyük ölçekli firmalar daha geleneksel yazılım araçları kullandıklarından dolayı program kullanma kabiliyeti hala büyük öneme sahipir. Gelecek yıllarda yeni programlar çok daha kullanıcı dostu olacağından dolayı tüm işlemler tek bir program üzerinden yürütülebilecektir. Halihazırda benzer örnekler olmasına rağmen kitlesel bazda kullanılcak platformlar henüz yeterince yaygınlığa ulaşamamış durumdadır. Tasarım uzayı Catia V5'de oluşturulmuş olup parça meşlemesi Hypermesh'de yapılmıştır. Bu aşamadan sonra input dosyası Abaqus programına aktarılarak modal ve gerilme analizleri için sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Analiz dosyalarının abaqus çözücüsünde çözdürülmesinin ardından sonuç göselleştirmeleri Hyperview programında yapılmıştır. Hyperview özellikle görselleştirme yazılımı olarak oldukça etkin bir program olup birçok sonlu elemenlar çözümünün incelenmesi bu program vasıtasıyla yapılmaktadır. Bu çalışmalarla tasarım uzayının mevcut durumu incelenmiş olup dökme demir malzeme kullanıldığında 226 Hz'lik ilk titreşim modu ve 122 Mpa'lık Von-Mises gerilmesi hsaplanmıştır. Bu değerler hedef değerlerden oldukça yüksek olduğundan tasarım uzayının ağırlık azatmaya elverişli olduğuna karar verilmiş ve topoloji optmizasyonuna başlanılmıştır. Optimizasyon programı olarak Abaqus'le uyumlu olan Tosca yazılımı kullanılmıştır. Tosca programının TO kabiliyeti uluslarası kabul görmüş olup bu çalışmada güvenle kullanılabilmektedir. Optimizasyon, gerilme enerjisini minimize etme (Rijitliği maksimize etme) ve ilk rezonans frekans değerini maksimize etme üzerine kurulmuştur. Her iki optimizasyondan çıkan geometriler Tosca'da yumuşatılıp .igs formatına çevrildikten sonra Catia V5 ortamında aynı montaj dosyası altına atılarak karşılaştırılmış ve ortak geometrilerin korunmasına özellikle dikkat edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre gerilme enerjisi optimizasyonunun ilk rezonans frekans optimizasyon sonuçlarını büyük oranda kapsadığı gözlemlenmiştir. Tasarım güncellemesine gerilme enerjisi optimizasonu referens alınarak devam edilmiştir. 3D model Catia'da katı modelleme ve yüzey modelleme arayüzleri kullanılarak geliştirilmiş olup ilk iterasyon modeli henüz kenar ve köşe yumuşatmaları yapılmadan frekans analizine gönderilmiştir. Amaç hedef frekansa ne ölçüde yaklaşıldığını hızlıca anlayıp farklı malzeme kullanımında hangisiyle devam edileceğine karar vermektir. İlk sonuçlara göre paslanmaz çelik malzemesinde 231 Hz ve aluminyum temelli malzemeyle 167 Hz'lik ilk rezonans freansı yakalanmıştır. Bu sonuçlarla hafif tasarıma daha fazla olanak sağlayabilecek olan Aluminyum malzemeyle ilerlemeye karar verilmiştir. Hedef değere olan 170 Hz'e ulaşmak için alınan tasarım aksiyonlarının ardından ikinci tasarım modeli oluşturulmuştur. Yeni modelin ilk rezonans frekans değeri 173 Hz'e yükseltilmiş olup Von-mises gerilme değeri maksimum 172 MPa olarak gözlemlenmiştir. Açıkça gözükmektedir ki ikinci model modal ve dayanımsal olarak kabul edilebilir düzeydedir. Özellikle 172 MPa'lık maksimum gerilme değerinin 250 MPa'lık yorulma dayanımı değerininn altında olması bu parçanın herhangi bir yorulma dayanımı problemi yaşamayacağını göstermektedir. Son model geleneksel tasarım yöntemlerinin yteneklerine göre oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir. Parçanın üretimi geleneksel yöntemlerle oldukça zor olup çok özel maçalama teknikleri ile mümkün olabilmektedir. Halbuki eklemeli imalat yöntemi parçayı tamamen katman katman oluşturmaktadır ve bunun gibi karmaşık geometrileri rahatlıkla oluşturabilmektedir. Aluminyum temelli olan Scalmalloy malzemesi eklemeli imalat endüstrisinde rahatlıkla bulunulabildiğinden dolayı parçanın üretilebiliği bir o kadar rahatlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Lightweight design is becoming increasingly more important for vehicle design in aerospace and automotive industry. Although very important advances achieved in product design for both industry, some innovative designs could not be implemented due to the production restrictions. By means of emerging technologies in additive manufacturing, the ways of product design, development and logistics are transforming. Current advances in AM materials and creative design methods enable AM integration for lots of industries. One of the major tools of the creative design is topology optimization which was used for years in product optimization. However, lots of design restrictions observed due to the manufacturing constraints such as mold direction, draft angle, equal wall thickness, etc. By means of AM, topology optimization results have the possibility to be directly integrated as much as possible. Design freedom is the most important advantage of the AM. It is obvious that both designers and manufacturers have this freedom. Designers can create the designs in a wide range of alternatives, suppliers can produce the complex features easier than the conventional production methods. Although design implementation is easier than the conventional methods, design verification is a must and have to be applied as part and system level. The verificaiton methods are nearly same compared to the conventional designs. As digital verification, modal analysis and structural stress analysis have to be aplied on the design. In literature review, mainly focused on topology optimization and integration with AM. First, an automotive driveline bracket topology optimization example shared according to the conventional production methods. Design and non-design space definition, modal assesment and weight reduction studies showed in the example.It has been very common application in automotive and aeorospace application up to now. Then, a re-design study of an AM aerospace hinge bracket shared to show the transformation of the design while changing production method. Very significant weight reduction obtained by means of material change and design update. Lastly, different AM design approaches showed while integrating TO results to the conventional design. Direct integration of TO or partly integration of TO and standart CAD remodelling of the part is possible. Most important advantage of the partly integration is to having updatable 3D model to enable model updates in any phase of the product lifecycle. Topology optimization theory and methods explained shortly in second section. Although size, shape and topology optimization is used as the structural optimization methods, only topology opimization used as the optimization method in this thesis. Density and homogination methods explained also. Additive manufacturing history, definition, technologies, materials and dimensional accuracies explained in third section. Clear understanding of AM capabilities and currrent apllication is very crucial for a successful design integration in all industries. For a successful lighweight design integration, AM manufacturing methods have to be known very well to prevent design phases. Effective software tool usage are also very important for the design transformation and virtual verification of the updated design. Catia V5 used for design space creation and meshing works completed in Hypermesh. Then, FE model creation, modal analysis and stress analysis performed in Abaqus. As a post process tool, Hyperview used to view the analysis results. After completion of the design space analysis, TO initiated in Tosca which is compatible with Abaqus models. According to the TO results, first 3D model phase created and modal analysis performed to check whether the target achived or not. Due to the lower values of first mode, further phases were required. Afterwards, second 3D model phase performed to get higher frequency results. Finally, modal and stress analysis of second phase performed in Abaqus and targets achieved for both of them. Final model has very complex features for conventional production methods, also manufacturability of the final part is nearly impossible by using conventional manufacturing methods. On the other hand, AM feasibilty seems very promising with the help of advanced capability of the AM technologies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    677449

    İçten yanmalı motor egzoz portu etrafındaki kafes yapılarının termomekanik davranışının incelenmesi ve efektif modelleme yaklaşımının geliştirilmesi

    Thermomechanical investigation of lattice structures around exhaust port for iternal combustion engine and development of a effective modelling approach

    CEMRE OĞUZ ERŞAHİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN

  2. Tez No

    676408

    Design of the main landing gear for a trainer aircraft with topology optimization

    Eğitim uçağı ana iniş takımının topoloji optimizasyonu ile tasarımı

    IRMAK FEROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN

  3. Tez No

    670691

    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

    İngilizce

    2021

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

    PROF. DR. FABRIZIO SCARPA

  4. Tez No

    878272

    Hesaplamalı tasarım ve analog yapma süreçlerinin bütünleştirilmesi üzerine bir metodoloji: Örme algoritmalarıyla oluşturulmuş lifli hafif strüktürler

    A methodology on integrating computational design and analog making processes: Fibrous lightweight structures formed by knitting algorithms

    AHMET KELEŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEVİL YAZICI

  5. Tez No

    384900

    Turaç insansız hava aracının yapısal modelinin hazırlanması ve analizlerinin yapılması

    Structural modeling and analysis of turac unmanned air vehicle

    YASİN DERELİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN ORHAN KAYA

Geri Dön