Geri Dön

Finite element modeling of an origami inspired delta mechanism

Origamiden esinlenilmiş delta mekanizmasının sonlu eleman modellemesi

PDF İndir

  1. Tez No: 826659
  2. Yazar: ATA ARJOMANDI FARD
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK, DR. MERVE ACER KALAFAT
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: Makine Tasarımı Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 115

Özet

Origami, havacılık endüstrisinden robotike kadar geniş bir yelpazede mühendislik yapılarının imalatı, montajı ve işlevini sağlamak için kullanılabilmektedir. Origami yapılarının geometrisi karmaşıklaştıkça ve çok sayıda farklı malzemelerin kullanılmasıyla, hesaplamalı modellerin geliştirilmesi ve tasarım yöntemlerinin ortaya konulması mühendislik açısından önem kazanmaktadır. Robotik dünyasında, Delta mekanizmaları, bu uygulamalarda kullanılan en popüler paralel mekanizmalardan biridir. Yapılan çalışma, origamiden esinlenilmiş mühendislik ve delta mekanizma tasarımı alanına katkıda bulunmaktadır. Öncelikle, delta mekanizmasının robotik, imalat ve havacılık dahil olmak üzere geniş bir endüstri yelpazesine uygulanabileceğini göstermek için bu araştırmanın temel amacı, delta mekanizmasının geniş bir alan ve uygulama yelpazesinde kullanılabileceğini kanıtlamaktır. Bu mekanizma, yüksek hassasiyeti, adaptasyon kabiliyeti ve enerji verimliliği sayesinde hassas konumlandırma, hızlı hareket ve kompakt tasarım görevlerini hassasiyetle gerçekleştirebilme yeteneğine sahiptir. Ayrıca, bu çalışma, origamiden esinlenilmiş yapıların sonlu elemanlar modellemesi kullanılarak ne kadar hassas analiz edilebildiğini göstermektedir. Sayısal simülasyonlar, karmaşık katlama desenleri ve mühendislik uygulamaları hakkında detaylı veri sağlayarak, deformasyonun ayrıntılı analizine ve genel performansa izin vererek geliştirilmiş mühendislik çözümlerine imkan sağlamaktadır. Bu çalışma, origamiden esinlenilmiş delta mekanizmasının mekanik performansı ve davranışı konusunda sonlu eleman modellemesi ve deneysel doğrulama kullanmaktadır. Çalışmada, mekanizmanın hassasiyetini, adaptasyon kabiliyetini ve verimliliğini geliştirmenin yanı sıra, tasarımının iyileştirilmesine de katkıda bulunarak mekanizmanın belirtilen özellikleri iyileştirilmektedir. Bu çalışmada, origamiden esinlenilmiş tasarım yöntemleri ve iki boyutlu monolitik katmanlı üretim teknikleri kullanılarak küçük ölçekli robotik sistemlerde yaygın olarak kullanılan bir mekanizma geliştirilmiştir. Montaj esnasında, tercih ettiğiniz yöntemin temel adımları içerisinde yer almayan katlama ve yapıştırma gibi ara adımların yapıyı herhangi bir şekilde bozmaması son derece önemlidir. Kesme, yapıştırma ve tekrarlama sayısını azaltmak amacıyla bu mekanizmanın montaj süresini azaltmaya yardımcı olmak için“Akıllı Kompozit Mikroyapılar”adı verilen bir 2B üretim tekniği, proje için seçilmiştir. Bu üretim süreci, farklı özelliklere sahip levhaların kesilerek belirli bir düzende birleştirilmesini içerir, böylece bu levhalar belirli bir düzende üst üste birleştirilerek beş katmanlı bir yapı oluşturulabilir. Bu yöntemi izleyerek, sert-yapışkan-esnek-yapışkan-sert katmanlar oluşturulmuştur. Amerikan Bristol kâğıdı tabakası, esnek PET plastik tabakası ve 3B baskılı TPU malzemeden üç farklı çeşit katmandan oluşan bir beş katmanlı malzeme tasarladık ve bunu 3B baskı teknolojisi kullanarak gerçekleştirdik. 400 gram Amerikan Bristol kağıdından oluşan sert katman, esnek PET plastik tabakasına yapıştırılmıştır. Bu araştırma, katman katman origami kullanılarak tasarlanan ve inşa edilen yeni bir Delta mekanizmasının, gerçek mekanizmanın boyutları kullanılarak modellemesinin yapılabileceğini ve böylece davranışının tahmin edilebileceğini göstermiştir, bu da boyutlarının analiz edilmesiyle gerçekleştirilmektedir. Bu mekanizma dört farklı malzemeden oluşmaktadır ve gerilme testleri aracılığıyla iki farklı malzemenin özellikleri deneysel olarak belirlenmiştir. Mekanizma, dört farklı malzemeden oluştuğu için değişik yük koşullarında deformasyonları ve genel performansını belirlemek için sonlu eleman simülasyonları gerçekleştirdik. Sayısal sonuçlar, mekanizmanın davranışı hakkında bize değerli bilgiler sağlamasının yanı sıra, tasarımı ve mekanizma özellikleri hakkında da bize değerli iç görüler sunmuştur. Origamiden esinlenilmiş Delta mekanizmasının fiziksel bir prototipi kullanılarak yer değiştirme ölçümleri yapılarak, sonlu elemanlar simülasyonlarının doğruluğu ve güvenilirliği belirlenmiştir. Sayısal sonuçlar ile deneysel sonuçlar karşılaştırılarak sonlu elemanlar modelinin deneysel verilere dayalı olarak doğrulaması yapılmıştır. Sistemin sonlu elemanlar modelleme analizi, yüksek bir hassasiyetle konumlandırma ve hareket gerçekleştirebileceğini göstermiş olup, bu da yüksek hassasiyet gerektiren uygulamaların tasarımında kullanışlı olabileceğini düşündürmektedir. Bu çalışmada, origamiden esinlenilmiş tasarım metodolojisi kullanılarak üretilen bir Delta mekanizmasının dinamik davranışı sonlu elemanlar modelleme simülasyonlarıyla incelenmiş ve çıktıları deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sayısal model, mekanizmanın yapısına benzer şekilde birkaç sürekli hiper-elastik katman ve benzer rijit parçalardan oluşmaktadır. Bu çalışmanın ilk etaptaki temel katkılarını aşağıdaki gibi kategorize ettik: • Delta mekanizmasındaki eklem dönüşlerinin esnek katmanların elastik deformasyonları olarak simülasyonu, (rijit kinematik modelde sadece desteklenen eklem olarak kabul edilmektedir) • Sonuçları rijit kinematik model ve deneysel sonuçlarla karşılaştırarak bir sonlu eleman modeli geliştirme, • Üretim sürecindeki hataların modellenmesi ve mekanizmanın yörüngesine katkısının gözlenmesi, (bu hatalar rijit kinematik modelde dikkate alınmamaktadır) • Farklı malzemelerden oluşan katmanlardan yapılmış daha karmaşık ve çeşitli origami ilhamlı mekanizmaları analiz etmemize yardımcı olacak bir model geliştirme. Düz paralelkenar eklemlere sahip Delta mekanizmasının sayısal simülasyonları ANSYS® Mechanical yazılımı ve Yapısal modülü kullanılarak gerçekleştirildi. Simülasyonlarda sonlu elemanlar modelleme yöntemi kullanıldı ve hiper-elastik parçalar dışındaki parçalar için düz yer değiştirme formülasyonu uygulandı, hiper-elastik parçalar için karışık formülasyon kullanıldı. Analizin ilk adımı, Delta mekanizmasının çalışma yüksekliğini tanımlamaktır çünkü mekanizmanın tekillik durumu kaldırılmalıdır. Bu işlem, hareketli platformun üst yüzeyine yukarı yönde doğrusal bir yük uygulayarak başlar, sıfırdan yükselir ve aynı süre içinde sıfıra düşer, böylece mekanizma başlangıç konumuna getirilir. Daha sonra, simülasyonun sonuna kadar belirtilen eksenler etrafında dönme şeklinde alt kollara uzaktan yer değiştirme uygulanır. Deneysel doğrulama, sayısal simülasyonlarla son derece uyumlu bulundu ve sayısal simülasyonların doğruluğunu onaylayarak modelin performansının anlaşılmasını sağladı. Benzetim sonuçlarına dayanarak, mekanizmanın kinematik model ile karşılaştırıldığında 0.05 (RMS) hatası içinde yol izleyip izlemediğini belirlemek için sonlu eleman simülasyonlarının karşılaştırması yapılmıştır. Sonlu eleman simülasyonlarının kullanımı sayesinde, imalat veya cihaz kaynaklı hataları yörüngeye etkileyip etkilemediğini belirleyebilir ve hata seviyesinin belirlenmesinde her faktörün katkısını sınıflandırabiliriz. İkinci etapta hiperelastik malzeme modeline tek eksenli test verilerini entegre ederek, yeni sayısal sonuçlar önceki mevcut modellerle karşılaştırıldı. Yeni model, belirgin bir şekilde azaltılmış RMS hataları gösterdi ve katlama bölgelerindeki kritik eklem bölgelerini vurguladı. Deformasyonu azaltmak için sekiz farklı eklem tasarlanmıştır. Karşılaştırmalı çalışma, tüm yeni mekanizmalarda deformasyon azalması olduğunu ortaya koydu. Bu, eklem deformasyon ya da gerilimini azaltma gibi belirli hedefler için mekanizma seçimini yönlendirmektedir. Yeni mekanizmaların yaklaşık yarısı, standart yörüngede RMS hatalarına dayanarak optimal tasarımlar olarak kabul edilebilir. Farklı yörüngeler altında yeni mekanizmaları keşfetmek, optimal modelleri belirlemeye yardımcı olmaktadır. Sayısal sonuçlar, deformasyon sapmalarını ve RMS hatalarını 8 mm yarıçap ve 50 mm yükseklik yörüngesi için içermekte ve eğilimleri yakından yansıtmaktadır. Z=50 mm'de, Org_〖30〗^◦ve Org_〖45〗^◦en optimal tasarımlar olarak kabul edilebilir. 10 mm yarıçap ve 40 mm yükseklik için Nov1_〖30〗^◦açık ara en iyi tercih olarak, tutarlı sapma ve hata değerleri vermektedir. Her bir eklemdeki birim şekil değişimi azaltma, katlama eklemleri içinde sensör yerleşimini kolaylaştırmaktadır. Bu yaklaşımın, sensör bozulma oranlarını azaltması ve sensör çatlaması sorunlarını hafifletmesi beklenmektedir. Gelecekte, origamiden esinlenilmiş mekanizmaları simüle etmek için bu doğrulanmış sayısal model kullanılarak yeni mekanizmalar tasarlanabilecek ve sayısal model onları doğru bir şekilde simüle edebilecektir.

Özet (Çeviri)

Incorporating origami principles into engineering practices has proven valuable for the construction, assembly, and functionality of structures in aerospace, robotics, and related domains. With the increasing complexity of origami structures in terms of geometry and material considerations, the development of computational models and design methodologies has become essential to enhance their engineering applicability. One particularly popular parallel mechanism employed in robotic applications is the Delta mechanism. This research makes significant contributions to the field of origami-inspired engineering and delta mechanism design. One key objective is to showcase the wide-ranging applicability of the origami-inspired delta mechanism across various industries, such as robotics, manufacturing, and aerospace. This mechanism's remarkable attributes, such as exceptional precision, adaptability, and energy efficiency, make it highly suitable for tasks involving precise positioning, swift movement, and compact designs. Additionally, the study highlights the efficacy of finite element modeling for analyzing origami-inspired structures. Through numerical simulations, valuable insights into complex folding patterns and their engineering applications are obtained, allowing for a detailed examination of deformation and overall performance. The integration of FEM modeling and experimental validation enables a thorough understanding of mechanical behavior and performance of origami-inspired delta mechanisms. Furthermore, the findings contribute to enhancing the design of the mechanism, bolstering its precision, adaptability, and efficiency. Incorporating origami-inspired design methodologies and 2D monolithic layered production techniques, this study employs the Delta mechanism, a commonly utilized component in small-scale robotics systems. The objective is to develop a streamlined assembly process that preserves the planar structure while minimizing intermediate steps such as folding and bonding, which lie outside the core procedures of the selected techniques. Leveraging the 2D fabrication approach, the mechanism's assembly can be simplified to a single cycle of cutting, bonding, and repetition. For this project, the chosen fabrication method is called“Smart Composite Microstructures”(SCM). This method involves cutting sheets with different properties and arranging them in a specific pattern, forming a five-layered structure consisting of rigid, adhesive, flexible, adhesive, and rigid layers. The rigid layer employs 400-gram American Bristol paper, while the flexible layer utilizes PET plastic. Additionally, the inclusion of one or two layers of 3D printed TPU material further enhances the design. The mechanisms patterns are generated using innovative origami-inspired design approaches. The research demonstrates the successful modeling of the trajectory behavior of a novel Delta mechanism, constructed using layer-by-layer origami, by incorporating the dimensions of the actual fabricated mechanism. Tensile testing experiments provided crucial material properties for the four distinct materials utilized in the mechanism. Leveraging finite element method (FEM) simulations, an in-depth analysis of deformations and overall performance was conducted under diverse loading conditions. The numerical results yielded valuable insights into the mechanism's behavior. Validation of the FEM simulations was performed through displacement measurements on a physical prototype of the origami-inspired Delta mechanism, comparing numerical and experimental results. The FEM analysis demonstrated remarkable precision in positioning and movement, underscoring its potential for high-precision applications. The experimental validation provided robust evidence of the strong agreement between the experimental and numerical results, thereby affirming the accuracy of the numerical simulations and enriching our understanding of the mechanism's real-world behavior and performance. By comparing finite element simulations, we determined that the mechanism closely followed the trajectory with a maximum error of 0.05 in normalized root-mean-square (RMS) values, in comparison to the kinematic model. Employing FEM simulations, we analyzed the impact of fabrication and instrumentation errors on the trajectory and meticulously evaluated the contribution of each factor to the overall error. Incorporating uniaxial test data into the hyperelastic material model, the novel numerical results are compared to previous existing models. The novel model displays significantly reduced RMS errors and highlights critical joint regions in folding zones. To mitigate strain, eight inventive joints are formulated. Comparative study reveals strain reduction in all novel mechanisms. This guides mechanism selection for specific goals like joint strain reduction. About half of the novel mechanisms are deemed optimal designs based on RMS errors in the standard trajectory. Exploring novel mechanisms under diverse loads identifies optimal of models. Numerical results, involving strain deviations, and trajectory RMS errors for an 8 mm radius and 50 mm elevation, mirror standard trends closely. At Z=50 mm, Org_〖30〗^◦and Org_〖45〗^◦are promising. For 10 mm radius and 40 mm elevation, Nov1_〖30〗^◦is the evident choice, maintaining coherent deviation and error patterns. Strain reduction in each joint facilitates optimal sensor placement within folding joints. This approach effectively diminishes sensor failure rates and mitigates sensor cracking issues. Leveraging this validated numerical representation, future simulations of origami-inspired mechanisms can be conducted with confidence, facilitating the design of innovative mechanisms.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    341060

    Finite element modeling approaches and comparative study on the nonlinear behavior of steel shear-links

    Çelik bağ kirişlerin doğrusal olmayan davranışları üstüne sonlu elemanlarla modelleme yaklaşımları ve karşılaştırmalı çalışma

    YAŞAM KIZILDAĞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AFŞİN SARITAŞ

  2. Tez No

    66752

    Sonlu elemanlar metodu yardımıyla nokta direnç kaynağının soğuma analizi

    The finite element modeling of the thermal distribution obtained resistance spot welding results

    LÜTFİYE ÇEBİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT VURAL

  3. Tez No

    270073

    Development of a novel dynamic spinal implant and finite element modeling of l3-l4 segment

    Dinamik omurga implantının geliştirilmesi ve l3-l4 segmentinin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi

    ENİS AKGÜN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İSMAİL LAZOĞLU

  4. Tez No

    305591

    Multidisciplinary design of an unmanned aerial vehicle wing

    Bir insansız hava aracı kanadının çok yönlü tasarımı

    ARZU SAKARYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAVUZ YAMAN

  5. Tez No

    439483

    Modeling of the lateral load resistance of masonry infilled frames with innovative steel ties

    Yenilikçi çelik bağlar içeren yığma dolgu duvarlı betonarme çerçevelerin yatay yük direncinin modellenmesi

    MIRSALAR KAMARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. OĞUZ GÜNEŞ

Geri Dön