Particle based topology optimization methods foradditive manufacturing technologies
Eklemeli imalat teknolojileri için parçacık tabanlı topoloji optimizasyon yöntemleri
- Tez No: 898779
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ADNAN KEFAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Industrial and Industrial Engineering, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Üretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 216
Özet
Topoloji optimizasyonu (TO), bir amaç fonksiyonunu iyileştirerek (örneğin, rijitlği en üst düzeye çıkarmak veya gerinim enerjisini en aza indirmek) ve tasarım kısıtlamalarını (örneğin, hacim kısıtlamaları ve minimum boyutlar) karşılayarak en iyi malzeme dağılımını üreten güvenilir bir tasarım yöntemidir. Çeşitli mühendislik yapılarının hafifleştirilmiş tasarımlarında giderek daha fazla kullanılmasına rağmen, TO tasarımları genellikle karmaşık formlara neden olduğu için eleştirilir; bu durum, elde edilen geometrinin işleme, döküm vb. gibi geleneksel üretim yöntemleri kullanılarak üretilmesini zorlaştırır hatta bazen imkansız hale getirir. Eklemeli imalat (AM), topoloji optimizasyonundan (TO) elde edilen bu karmaşık şekillerin üretilmesi için etkili bir yaklaşımdır. Ancak birden fazla ısıtma ve soğutma döngüsü gerektiren AM yöntemleri, TO tasarımlarında konsantre yerel kalıntı gerilmelerin oluşmasına yol açar. Sonuç olarak bu, belirli alanlarda malzeme özelliklerinin azalmasına neden olur ve çatlak/kusur gibi yerel bozunmaların olasılığını artırır. Bu noktada, klasik süreklilik mekaniğinin yerel olmayan bir yeniden formülasyonu olan Peridinamik (PD), yalnızca parçacıklar arasındaki bağları kırarak süreksizlikleri modellemenin pratik bir yolunu sunmaktadır. PD yöntemi, kısmi türevler yerine denge denklemlerinin integral formunun kullanılması sayesinde çatlak dallanması ve birleşmesi dahil olmak üzere yapıların dinamik kırılma davranışını doğru bir şekilde modelleyebilir. Genel olarak, bu tezin ana motivasyonu, AM süreçleriyle üretilen nihai tasarımların yapısal performansını en üst düzeye çıkarmak için peridinamiğe dayalı yeni 3B topoloji optimizasyon yöntemleri (yani, peridinamik topoloji optimizasyonu veya PD-TO) geliştirmektir. Bu kapsamda, üç boyutlu yapıların optimizasyonu için çift yönlü evrimsel yapısal optimizasyon (BESO), optimallik kriterleri (OC) ve orantısal yaklaşım (PROP) olmak üzere üç farklı yoğunluk tabanlı TO algoritması peridinamik yöntemiyle birleştirilmiştir. Geliştirilen yöntemler, çeşitli kıyaslama problemleri üzerinde uygulanarak kapsamlı bir şekilde doğrulanmıştır. Daha sonra büyük ölçekli mühendislik yapılarının (gemi kesit tasarımı) hafifletilmesi için PDTO yönteminden yararlanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre PD-TO yöntemlerinin uygulanabilirliği ve üstün yetenekleri ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca bu yöntem, klasik sürekli ortam mekaniği temelli hasar kriterleri dikkate alınarak dinamik yük altında kırılma direncinin arttırılması için sistematik bir optimizasyon şeması ile birleştirilmiştir. Yapılan karşılaştırmalar, hasar oluşumuna yatkın kritik bölgeleri dikkate alınca, klasik optimizasyon sonuçlarına göre önerilen algoritmalar tarafından optimize edilen tasarımda kırılma direncinin arttığını gösterdi. Bu tezde ayrıca, metal AM prosesleri ile üretilen yapılarda oluşan kalıntı gerilmelerin azaltılması amacıyla PD-TO yöntemlerinden yararlanılmıştır. İlk tasarım alanına varsayımsal çatlakların yerleştirilmesi ve PD-TO aracılığıyla optimizasyon yapılması sayesinde kalıntı gerilimi en aza indirilmiş hafif yapılar elde edilmiştir ve bu sayısal sonuçlar mekanik testler aracılığıyla deneysel olarak doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
Topology optimization (TO) is a robust design method that generates the best material distribution by improving an objective function (e.g., maximizing stiffness or minimizing strain energy) and satisfying design constraints (e.g., volume constraints, and minimum dimensions). Although TO is increasingly utilized in lightweight designs of various engineering structures, TO designs have usually been criticized for causing complex forms, which makes obtained geometry difficult or even impossible to fabricate by using traditional manufacturing methods such as machining, casting, etc. Additive manufacturing (AM) is an effective approach to fabricating these intricate shapes obtained from topology optimization (TO). However, AM methods, which entail multiple heating and cooling cycles, lead to the formation of concentrated local residual stresses in TO designs. Consequently, this results in diminished material properties in specific areas and increases the possibility of local failures, such as cracks/defects. At this point, a non-local reformulation of classical continuum mechanics, namely Peridynamics (PD), offers a practical way to model discontinuities by only breaking the bonds between particles. The PD method can accurately model the dynamic fracture behavior of the structures including crack branching and coalescence thanks to the utilization of the integral form of balance equations instead of partial derivatives. Overall, the main motivation of the present thesis is to develop novel 3D topology optimization methods based on peridynamics (i.e., peridynamic topology optimization or PD-TO) to maximize the structural performance of the final designs produced by AM processes. In this context, three different density-based TO algorithms namely bi-directional evolutionary structural optimization (BESO), optimality criteria (OC), and proportional approach (PROP) are coupled with the PD method for the optimization of three-dimensional structures. The developed methods are extensively validated by performing on various benchmark problems. Afterward, the PD-TO method is utilized for the TO of large-scale engineering structures (ship cross-section design). According to the obtained results, the viability and superior capabilities of the PD-TO methods are revealed. Furthermore, this method is performed with a systematic optimization scheme for increased fracture resistance under the dynamic load by considering a classical continuum mechanics based failure criteria. The comparisons showed the increased fracture resistance on the optimized design by the proposed algorithms against the classical optimization results. Moreover, the PD-TO methods are utilized for decreasing residual stresses occurs on the structures produced by metal AM processes. Thanks to embedding hypotetical cracks in the initial design domain and topologically optimizing via PD-TO, we achieved residual stress minimized light weighted structures and experimentally validated the obtained numerical results.
Benzer Tezler
- Mikro şebekelerde yeniden yapılandırma problemine üretim ve tüketim tahmini destekli yeni bir algoritmik yaklaşım
A novel algorithmic approach for reconfiguration problem in microgrids considering generation and consumption forecasts
FATMA YAPRAKDAL
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA BAYSAL
- Dynamic security enhancement of power systems via population based optimization methods integrated with artificial neural networks
Yapay sinir ağlarının entegre edildiği popülasyon tabanlı optimizasyon yöntemleriyle güç sistemlerinin dinamik güvenliğinin iyileştirilmesi
CAVİT FATİH KÜÇÜKTEZCAN
Doktora
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ
- Yapısal optimizasyon problemlerinin çözümü için yeni bir hibrid optimizasyon yönteminin geliştirilmesi
Development of a new hybrid optimization method for solution of structural optimization problems
ERHAN DÜZGÜN
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDEM ACAR
- Optimization of structures in the frequency domain
Yapıların frekans uzayında optimizasyonu
ALİYYE KARA
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUĞAN
PROF. DR. İBRAHİM EKSİN
- Parkinson hastalığı için parçacık yığını optimizasyonunda yeni topolojiye dayalı yüksek verimli optimizasyon algoritmasının geliştirilmesi
Development of high efficiency optimization algorithm based on new topology in particle swarm optimization for parkinson's disease
HAWA AHMED ALRAWAYATI