Geri Dön

Optimization of CFRP prepreg composite rim by using MOGAII Genetic algorithm

Karbon fiber takviyeli plastik prepreg kompozit jantın MOGAII genetik algoritma kullanılarak optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 741039
  2. Yazar: BERKAY KUŞKIRA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 165

Özet

Otomotiv endüstrisinde bir çok farklı malzeme ve üretim tekniği, daha hızlı üretim daha ucuz maliyet politikası baz alınarak değerlendirilmektedir. Otomotiv sektöründe bir diğer bakış açısı ise yüksek performans odaklı ürün geliştirmektir. Bu bakış açısında araç üzerinde yapılacak herhangi bir ağırlık kazancı performans ve yakıt tüketimi açısından avantaj yaratacaktır. Araç üzerinde yapılabilecek en efektif ağırlık azaltımı yaylanmayan kütle üzerinden yapılan azaltımlardır. Yaylanmayan kütle sınıfına giren başlıca yapılar; lastik, aks, yataklar ve jant olarak sayılabilir. Kompozit malzemeler gün geçtikçe yaygınlaşan kullanım alanlarına sahip olmaktadır. Özellikle modelleme tekniklerinin gelişimi, hesapla gücündeki artış, imalat ve test kabiliyetlerinin gelişmesi ile havacılık ve otomotiv gibi ağırlık hafifletmenin yüksek öneminin bulunduğu endüstrilerde sıklıkla kullanılan bir malzeme haline gelmiştir. Otomotiv endüstrisi içinde kompozit malzemelerin avantajlarından yararlanılabilecek en önemli parçalardan birisi janttır. Yaylanmayan kütle sınıfına girdiği için yapılacak hafifletme ile otomobil performansında ve yakıt tüketiminde iyileşme gözlemlenir. Bu tez çalışması Kare Metal Form San. ve Tic. A.Ş. firmasının başlatmış olduğu kompozit jant geliştirme projesi kapsamında geliştirilmesi hedeflenen ve 750 kg yük altında çalışması beklenen otomobil jantının çeşitli yüklemeler altında dayanımını sağlayacak en uygun lamina diziliminin ve sayısının belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasında 19 inç çapa ve 8,5 inç genişliğe sahip 10 adet koldan oluşan bir jant referans olarak kullanıştır. Elle serim yöntemiyle üretilmesi hedeflenen kompozit jantta düz örgülü ve reçine emdirilmiş kumaş prepreg malzeme kullanılmıştır. Referans jant yüzeylerine elde etmek amaçlı CATIA V5 yazılımı kullanılmış ve 10 adet koldan oluşan jant geometrisi ETRTO (European Tyre and Rim Technical Organisation) standartlarına göre tasarlanmıştır. Yapılan birçok endüstriyel denemede metalik yapılar ile hibrit tasarımlar olduğu gözlemlenmiştir. Özellikle göbek bölgesinde bijon ve araç bağlantı arayüzde metalik yapıların kullanılması kompozit yapının dezavantajlarını yok etmeye yönelik bir girişimdir. Kompozit jantın araç ile arayüzüne ve bijon yuvalarına metalik yapılar eklenerek boyutlandırma çalışmasında etkileri hesaba katılması planlanmıştır. Jantın değişmeyecek olan yüzeyleri kalıp ve referans yüzey olarak belirlenmiştir. Jantın referans yüzeyleri kullanılarak sonlu elemanlar modeli, kabuk elemanlar vasıtasıyla Hypermesh yazılımı üzerinde modellenmiştir. Kabuk elemanlara MAT8 malzeme kartı ve PCOMP eleman özellik kartı tanımlanmıştır. ISO standartları ile belirlenmiş test durumları analiz modeline yükleme koşulu olarak eklenmiştir. Jant üzerinde oluşacak viraj, radyal ve torsiyon yüklemeleri ile toplam üç adet yük koşulu için üç adet model hazırlanmıştır. Malzeme serim yönleri jant üzerindeki göbek ve kasnak bölgeleri için farklılaştırılmıştır. Göbek bölgesinde viraj ve torsiyon yükünün karşılanacağı radyal yön rozetin x yönü olarak tanımlanmıştır. Kasnak tarafında ise kasnak silindirini takip edecek şekilde x yönü belirlenmiştir. Jantın belli bölgelerindeki karmaşık yapısından dolayı, temel iki rozet yönü takip edilecek şekilde, sonlu elemanlar modelinde birçok PCOMP parçaları oluşturulmuş, malzeme oryantasyon tanımlamaları ayrı ayrı yapılmıştır. Jantın optimizasyonunu gerçekleştirebilmek adına girdi ve çıktı değişkenleri belirlenmiştir. Jant geometrik olarak 6 bölgeye ayrılmış ve bu bölgelerin farklı laminat yapılarına sahip olabileceği kabul edilmiştir. Ancak fiberlerin sürekliliğini sağlamak adına tüm yapının bir lamina ile kaplanabileceği varsayılmıştır. İki tabakadan oluşabilecek göbek ve kol kısımları için plaka başına 20 lamina, göbek ve kol kısmında gelen laminatların birleşimiyle oluşacak kasnak yapısının ise toplam 40 lamina olması maksimum malzeme durumudur. Simetrik durumdan dolayı 10 adet laminanın oryantasyonlarının belirlenmesi jantın diğer bölgelerinde de aynı oryantasyona sahip laminanın kullanılmasına sebebiyet verecektir. İki adet temel rozetin x yönü arasında 90 derece fark vardı. Jant geometrisi incelendiğinde göbek ile kasnak arasında da 90 derecelik fark olduğu gözlemlenir. Kasnak ile kol bağlantılarındaki geçiş için özel rozet tanımlamaları yapılarak süreklilik sağlanmıştır. Böylelikle 10 adet lamina tasarımın ortaya çıkması için yeterli olmakta ve alabileceği farklı oryantasyon açıları bir oryantasyon girdi değişkeni ifade etmektedir. Her bir lamina 0, 45, 90 ve 135 derece oryantasyon değerlerinden birini alabilecek şekilde girdi değişkeni tanımlanmıştır. Girdi parametresi olarak verilen 10 adet lamina oryantasyonu ile maksimum malzeme durumu düşünüldüğünde simetrik bir laminat 20 lamina içerecektir. Ancak kütle hafiflemesini sağlamak adına belirlenmiş 6 adet bölgede laminaların her birinin var olup olmadığı bilgisi tanımlanmalıdır. Bu nedenle PCOMP eleman özelliği kartında kürlenmiş lamine kalınlığı değerinin sıfıra çok yakın veya kalınlığı kadar olması şeklinde ifade edecek olan bir diğer girdi değişken tanımlanmıştır. Çalışmada jantın maksimum malzeme koşulunda statik analizleri yapılmıştır. Analiz sonuçları MSC Nastran çözücüsü kullanılarak elde edilmiştir. Tsai-Wu hasar kriteri ve maksimum deplasman değerleri istenerek ve MSC Patran yazılımı kullanılarak üç yük koşulu için sonuçlar yansıtılmıştır. Girdi değişkenlerin parametre haline getirilebilmesi adına MSC Patran yazılımının kodlanması hedeflenmiştir. Bu amaçla MSC Patran uyumlu betikler hazırlanmıştır. Betikler sayesinde farklı tasarımlardaki lamina dizilimi ve sayısı PCOMP kartının güncellenmesi ve tekrar tanımlanması gerçekleştirilmiş olmaktadır. Ayrıca analiz girdi dosyalarının oluşturulması, analiz sonrası hasar kriteri, deplasman ve kütle bilgisinin alınması için ayrı betikler yazılmıştır. Jantın optimizasyon çalışmasını gerçekleştirmek amacıyla ModeFrontier yazılımı kullanılmıştır. ModeFrontier yazılımı üzerinde; girdi değişkenlerinin betiklerde tanımlanması, yazılımlar arasındaki iletişimin sağlanması ve optimizasyon çalışmasındaki analizlerin dosyalama sisteminin oluşturulması sağlanmıştır. Jantın optimizasyon çalışmasını yapmak üzere elitizm içeren MOGAII (multi objective genetic algorithm II) algoritması kullanılmıştır. Üç farklı yük koşulu için Tsai-Wu hasar kriteri ve oluşan maksimum deplasmanları kullanılmıştır. Jantın rijitliğinin artırılması adına deformasyonun minimizasyonu, kütlesinin azaltılması hedefi ile de kütle minimizasyonu amaçları tanımlanmıştır. Aynı zamanda viraj, radyal ve torsiyon yüklemeleri altında Tsai-Wu hasar kriterinin 1'in altında olması durumu sınır koşulu olarak tanımlanmıştır. İlk popülasyonun üretilmesi adına Sobol algoritması kullanılmış ve tasarım uzayında 100 adet nokta oluşturulmuştur. İlk popülasyon dahil 60 jenerasyon maksimum jenerasyon olarak tanımlanmıştır. Her jenerasyonda klasik çaprazlama, yönlü çaprazlama, mutasyon ve seçilim ile bireyler oluşturulmuştur. Her jenerasyonda 100'er adet olmak üzere toplam 6000 adet tasarım sonucu elde edilmiştir. Çok amaçlı optimizasyon çalışmasının sonucunda deformasyon ve kütle ilişkisi kapsamında Pareto tasarımları elde edilmiştir. Elde edilen tasarımlar lineer çok kriterli karar verme ve genetik algoritma ile çok kriterli karar verme metotları ile değerlendirilmiş ve derecelendirmede en yüksek puan alan tasarımın analizleri tekrar edilip sonuçları yansıtılmıştır.

Özet (Çeviri)

In the automotive industry, lightweight design is of great importance, as in other industries. Especially in performance vehicles, different material technologies have become widespread with the development of simulation and production techniques. Automotive rims are an example of these structures. Lighter rims can be obtained by using composite materials. This thesis study was carried out in order to determine the most suitable lamina sequence and number that will ensure the strength of the automobile rim under various loads, which is aimed to be developed within the scope of Carre Wheel Design Company's composite wheel development project. In the study, a 19-inch diameter and 8.5-inch wide ten-spoke rim were used as a reference. A plain weave and resin-impregnated fabric prepreg material were used in the composite wheel. The composite wheel was designed according to ETRTO standards using CATIA V5 software and the required reference surfaces for analysis were obtained. The rim is designed with a metallic plate and is inserted in the hub joint area. The finite element model of the rim was modeled with Hypermesh software. Radial, cornering, and torsion loads are applied to the composite wheel model. For the analysis to be carried out using the MSC Nastran solver, the prepreg material card was used as MAT8 in the model, and the definition of composite laminate was made with PCOMP cards. Rim optimization was performed with MOGAII (Multi Objective Genetic Algorithm II) provided by the modeFrontier software. In the optimization study conducted with elitism, ply orientation and ply number were used as input variables. In the multi-objective optimization study, minimization of the maximum deformation and minimization of the total composite mass were performed. The maximum Tsai-Wu failure index value was defined for three different load cases as constraints. A total of 60 generations of evolutionary optimization were carried out with the initial population produced with the Sobol design of experience algorithm. The Pareto front set was created from the designs obtained as a result of 60 generations. The created Pareto set was analyzed with linear multi-criteria decision making and genetic algorithm multi-criteria decision making methods. The analysis of the design with the highest grade was repeated and the results were shown.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    797474

    Kompozit parça üretim prosesinde karbon fiber takviyeli polimer yapının termomekanik davranışının phyton'da modellenmesi ile prosesparametrelerinin optimizasyonu

    Process parameter optimization of carbon composite productionthrough modelling thermomechanical behaviour of CFRP polymeric structure in python

    FATİH TÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FEVZİ BEDİR

  2. Tez No

    519635

    Nano-melez sistemlerin karbon fiber takviyeli polimer matris kompozitlerde (KFTP) arayüz toklaştırma amacıyla kullanımı

    Use of nano-hybrid systems in carbon fiber reinforced polymer matrix composites (CFRP) for interfacial toughening

    MELİKE KILIÇOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BORA MAVİŞ

    YRD. DOÇ. DR. ERHAN BAT

  3. Tez No

    839821

    Havacılık endüstrisinde kullanılan karbon fiber takviyeli polimer kompozitlerin işlenebilirliğinin optimizasyonu

    Optimization of the machinability of carbon fiber reinforced polymer composites used in the aviation industry

    AYSUN ŞİRİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiMilli Savunma Üniversitesi

    Harp Silah ve Araçları Anabilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AYHAN AYTAÇ

  4. Tez No

    736166

    Design and optimization of variable stiffness composite structures modeled using Bézier curves

    Bézier eğrileriyle modellenen değişken katılıklı kompozit yapıların tasarımı ve optimizasyonu

    ONUR COŞKUN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

  5. Tez No

    702540

    Karbon kompozit ile alüminyum alaşımını yapıştırmada mekanik kilitleme sağlamak için lazerle yüzey işleme prosesi optimizasyonu

    Optimization of laser surface treatment process to provide mechanical locking in aluminum alloy adhesive bonding with carbon composite

    SEDA AYBALIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Havacılık MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Havacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ONUR ÇOBAN

Geri Dön