Optimization of a composite-based belleville spring system for racing vehicles
Yarış araçları için kompozit tabanlı bellevılle yay sisteminin optimizasyonu
- Tez No: 814273
- Danışmanlar: PROF. DR. ERSAN ÜSTÜNDAĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Motorsporları, mühendisler tarafından otomotiv endüstrisi için geliştirilen yeni teknolojilerin uygulanmasında kritik bir role sahiptir. Ağırlık azaltma çalışmaları, yeni tür malzemelerle ürün üretimi, farklı tasarımların uygulanması gibi konular bir yarışı kazanmak için çalışmalardan sadece bir kaçıdır. Mühendislik okuyan öğrencilerin otomotiv endüstrisi için kendilerini geliştirmelerinin en önemli yöntemlerinden biri, üniversite hayatlarında katılacakları ulusal ve uluslararası yarışmalardır. Bu yarışmalar sayesinde derslerden öğrendikleri teorik bilgileri gerçek uygulamalara dönüştürerek kariyerleri açısından çok önemli tecrübeler elde ederler. Çünkü bu tip yarışmalarda yaptıkları tasarımın fizibilite çalışmalarını oluştururken aynı zamanda en uygun maliyetle nasıl üretebilecekleriyle ilgili fikirleri de göz önünde bulundurmaları gerekmektedir. Sponsorluklarla elde edilen gelirlerin en uygun şekilde kullanılması, bir projeyi baştan sona kadar yönetebilme yetilerine kavuşabilmeleri ve takım olarak ortak çalışmayı öğrenmek bu tip yarışmaların farklı yararlarından bazılarıdır. Kompozitler, iki veya daha fazla doğal veya sentetik elementin (çeşitli fiziksel veya kimyasal niteliklere sahip) harmanlanarak parçalarının toplamından daha güçlü bir birim oluşturmak için oluşturulan malzemelerdir. Oluşturan elemanlar, sonucu veya bitmiş ürünü geliştirmek için en avantajlı özelliklerini birleştirir ve katkıda bulunur, ancak tamamen karışmaz veya kendi özelliklerini kaybetmezler. Kompozitler sıklıkla, artan dayanıklılık, verimlilik veya güç gibi belirli bir amaç göz önünde bulundurularak kullanılır. Süspansiyon sistemi, sahip olduğu amörtisor, yaylar ve bağlantı kollarıyla otomobilin tekerleklerini birbirine bağlayan ve her türlü frenleme ve beklenmedik yön değişikliği altında en yüksek düzeyde konfor, sürüş güvenliği ve yol tutuşu sağlamak için çalışan bir bileşen grubudur. Sürücünün aracı en iyi şekilde kullanabilmesi için, araçların özelliklerine göre çok farklı süspansiyon sistemleri geliştirilmiştir. Günümüzde her ne kadar göz ardı edilse de aracın yoldaki karakteristiğini belirleyen en önemli sistemdir. Yayların geometrisi, malzemesi ve montaj şekli bir süspansiyon sisteminde son derece önemlidir. Bu çalışmada, kompozit esaslı Belleville disk yayı tasarlamak için yarış ve otomotiv endüstrisinde en yaygın olarak kullanılan yaylar incelenmiştir. Bunun için öncelikle yarış aracının ağırlığı, tekerlek ve aks genişliği, yerden yüksekliği gibi değerler kullanarak, yayın toplam hareket etmesi gereken aralık ve toplam yük transferi hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar önceki senelerde üretilen araçların araç dinamiği karakteristikleriyle karşılaştırılmıştır ve hali hazırda kullanılan yay sisteminin alternatifinin kolayca tasarlanabileceği anlaşılmıştır. Tasarım aşamasında disk yayların literatürdeki farklı geometrilerle üretilmesi sonucundaki davranışları incelenerek progresif bir yaylanma davranışının en uygun yaklaşım olacağı gözlemlenmiştir. Bunun için çeşitli boyutlarda parçalar tasarlanarak karşılaştırmalı bir analizle devam edilmiştir. Aynı zamanda süspansiyon sisteminin en hafif şekilde olabilmesi için disk yayların karbon fiber kompozit malzemeden üretilmesi hedeflenmiştir. Bu sayede istenilen boyutlarda disk yaylar rahatlıkla üretilebilir ve yarış senaryosuna göre farklı düzenlere sahip süspansiyon sistemi kullanılabilir. Yapılan tasarımların doğrulanması adına sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Yayın üzerine gelen tüm yükler, sınır koşulları ve malzeme bilgileri yazılıma tanımlanarak en yakın sonuçları vermesi adına bazı varsayımlardan yola çıkılarak analiz yapılmıştır. Bu hesapların sonucunda tasarlanan 4 farklı varyasyonun maksimum gerilme, şekil değiştirme ve kompozit hasar kriter sonuçları hesaplanmıştır ve bu sonuçlar optimizasyon parametreleri olarak kullanılmıştır. Tasarım optimizasyonu yöntemlerinin içerisinde en çok kullanılan algoritmalardan birisi genetik algoritmadır. Genetik algoritma tanım olarak, problemlerin çözümü için canlıların evrimsel sürecini bilgisayar ortamda taklit ederek birden çok sonuç veren bir optimizasyon yöntemidir. Bu algoritma, problemlere sadece bir çözüm üretmek yerine farklı çözümlerden oluşan bir çözüm kümesi yaratır ve farklı özelliklerin etkilediği sonuçları içinde barındırır. Aynı zamanda çözüm kümesinde çözümler birbirinden bağımsızdır. Bu tip faydalarından dolayı çalışmada genetik algoritma kullanılarak optimizasyon çalışması yapılmıştır. Sonuçların çıkarılıp değerlendirilebilmesi adına hem kullanım kolaylığı hem de sonlu elemanlar analizi yapılan program olan ABAQUS ile beraber çalışabilme yetkinliğinden dolayı iSight programı kullanılmıştır. Disk yayların tasarım optimizasyonu için belirlenen hedeflerin başında maksimum yükleme altında oluşan gerilmenin azaltılması ve aynı zamanda şekil değiştirmenin aynı kalması gelmektedir. Çünkü kompozit disk yayların üstüste dizilmesi sonucunda oluşan yay sisteminin katılığı araç dinamiğine direk etki etmektedir. Malzeme olarak karbon fiber kompoziti tercih edilmesinden dolayı kompozit malzemelerin hasar teorilerinin optimizasyon girdilerinin arasında olması çok önemlidir. Optimizasyon çalışmasında algoritma hangi değerleri değiştirebileğinin tanımlanması çok önemlidir. Bu çalışmada kompozit tabakaların dizilim açılarının değiştirilerek iyileştirme çalışması yapılmıştır. Bunun nedeni hali hazırdaki sonlu elemanlar analizinde geometrik değerlerin değişken tanımlanamamasından kaynaklanmaktadır. ABAQUS-iSight bağlantısı sayesinde genetik algoritmadan geçirilmiş her değerin sonlu elemanlar analizi sonucu hızlı bir şekilde alınmıştır. Hali hazırda en çok tercih edilen üç adet genetik algoritmanın iSight programında hazır tanımlı olması hesaplamayı son derece kolaylaştırmaktadır. Ancak elde edilecek sonuçların tutarlılığını ölçmek adına öncelikle program tarafından ön tanımlı populasyon, mutasyon değerleri kullanılmıştır. Bu sayede farklı varyasyonların aynı değerlerle ne kadar iyileştiği bize aynı zamanda hangi genetik algoritmanın daha iyi sonuç verebileceği varsayılmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde sadece ön tanımlı değerlerin kullanılmasıyla ve hasar değerlerinin sınırlarda kalmasını sağlayarak bile %10'luk gerilme değerlerinde iyileşme görülmüş olup, kullanılan üç farklı genetik algoritmanın birbirine yakın sonuçlar vermesi bize optimizasyon yaklaşımımızın doğru olduğunu göstermektedir.Bu tip bir analizin daha da geliştirilebilmesi için parametrelerin farklılaştırılması, parça kalınlıklarının bir girdi olarak tanımlanabilmesi,farklı kompozit hasar teorilerinin tanımlanması ve en önemlisi bu değerlerin gerçek testlerle karşılaştırılması gerekmektedir.Çünkü kompozit malzemelerin sonlu elemanlar analiz sonuçlarıyla ve gerçek test sonuçları arasındaki farkların çok iyi değerlendirilip,buna uygun değişikliklerin yapılması gerekmektedir. Bu şekilde yapılan çalışma gerçek testlere harcanacak olan zaman ve eforu azaltması ile daha büyük geometri ve problemlerin optimize edilebilmesi konusunda yol göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Motorsports has a critical role in the application of new technologies developed by engineers for the automotive industry. Issues such as weight reduction studies, products with new types of materials, and the implementation of different designs are extremely important to win a race. Composites are materials that are created by blending two or more natural or synthetic elements (with various physical or chemical qualities) to create a new material that is stronger than the sum of its parts. The constituent parts merge and contribute their most advantageous features to enhance the result or finished product, but they do not totally blend or lose their own identities. Composites are frequently created with a specific purpose in mind, such as increased durability, efficiency, or strength. The designer must consider and calculate material specifications and combinations, enviromental conditions, maximum stress and deflection results of the system. The suspension system is a group of components that connect the wheels of the car together and work to maintain the highest levels of comfort, driving safety, and road holding under all types of braking and unexpected directional changes. It has traditionally served two purposes: ensuring the safety of the vehicle's handling and braking, and protecting passengers from vibrations and other influences. The suspension of a wheeled vehicle is a mechanical system of springs or shock absorbers connecting the wheels and axles to the chassis. Springs have important characteristics such as geometry, material and assembly type. In this study, the most commonly used springs in racing and automotive industry were investigated in order to design a composite-based Belleville disc spring. Design development was supported with a combination of previous works and feasibility studies. Optimization studies were then conducted for finding the most efficient, lightweight and adjustable disc spring. Results showed that Belleville disc springs are a very realistic alternative to steel helical coil springs with variety of designs, good material properties and a decreased weight of the system without any compromise.
Benzer Tezler
- Bir insansız hava aracına ait kompozit kanadın tasarımı ve yapısal optimizasyonu
Design and structural optimisation of an UAV composite wing
MUHAMMED ATIF YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
- Yeni bir kompozit tasarım tabanlı optimizasyon stratejisi kullanarak enantiyosaf (S)-(4-klorofenil) (fenil) metanol'ün biyokatalitik sentezi
Lactobacillus of (S)-(4-chloro phenyl)(phenyl) methanol paracasei bd101 biocatalizer and its synthesis using composite design based optimization method
NESRULLAH TOZLU
- Mechanical design and laminate optimization of a composite suspension control arm with experimental validation
Kompozit süspansiyon salıncak kolunun deneysel doğrulama ile mekanik tasarımı ve laminat optimizasyonu
EMRE KÖMÜRCÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN KEFAL
- Kompozit bir teknenin dip levha optimizasyonu
Bottom plate optimization of a composite boat
RECEP TAYYİP KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ERDEN YILDIZDAĞ
- Otomotiv uygulamaları için kompozit bir şaftın yapısal analizi ve optimizasyonu
Structural analysis and optimization of a composite drive shaft for automotive applications
ERDEM OK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN