Eşit çaplı çubuklarla izotropiye yakın özellikler gösteren bir latis malzemenin belirlenmesi ve topoloji optimizasyonunda kullanımı
Determination of a lattice material with near - Isotropic properties using equal diameter struts and its application in topology optimization
- Tez No: 904951
- Danışmanlar: DOÇ. DR. RECEP MUHAMMET GÖRGÜLÜARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Latis malzeme, Topoloji optimizasyonu, Homojenizasyon, Anizotropi oranı, Eklemeli imalat, Lattice material, Topology optimization, Homogenization, Anisotropy ratio, Additive manufacturing
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 156
Özet
Latis malzemeler, hafif olmaları, dayanıklı yapısı, enerji sönümleme kabiliyeti, ısı yalıtımı ve titreşim sönümleme yeteneklerinin yüksek olması sebebiyle yapısal parçaların tasarımında tercih edilmektedir. Latis malzemelerle tasarım gerçekleştirmek amacıyla, izotropik malzeme varsayımı ile gerçekleştirilen topoloji optimizasyon yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu topoloji optimizasyonu yöntemi ile latis malzemeli bir tasarım elde etmek için izotropik özellikler gösteren latis hücre kullanımı uygun olacaktır. Ancak, mevcut kübik latis hücrelerde tüm çubuk elemanlar aynı çap değerine sahip olduğunda izotropik özellikler elde edilememektedir. İzotropik özellikler elde edebilmek için latis hücrelerin iç ve dış bölgesindeki çubuk çapları farklılaştırılarak latis hücrenin özelliklerinin izotropik hale gelmesi sağlanabilmektedir. Fakat, latis hücreyi oluşturan çubuklarda farklı çaplar kullanılması, modelleme sırasında farklı çapta çubukların modellemesini gerektirdiğinden, tüm çapların aynı olduğu hücrelere göre modelleme sürecini zorlaştırabilmektedir. Ayrıca, modellenebilecek üst ve alt çap değerlerinin de üretilebilirlikten dolayı kısıtlanmasıyla tasarım alanı genişliği kısıtlanmaktadır. Bu sorunlara bir çözüm olarak, bu tez çalışmasında, bir kübik latis hücre içerisindeki bütün çubuklar aynı çapa sahip iken izotropiye en yakın özellikler gösteren bir latis hücre önerilmiştir. Bu amaçla, çubuk elemanların kübik bir hücrede farklı dizilimleri ile oluşturulan çeşitli latis hücre türlerinin homojenizasyon yöntemi ile elastisite modülü, kesme modülü ve Poisson oranları farklı göreceli yoğunluklarda belirlenmiştir. Bu değerler kullanılarak, hücrelerin anizotropi oranları hesaplanmış ve yüzey merkezli basit kübik (YMBK) hücre, izotropiye en yakın özellikleri veren hücre türü olarak belirlenmiştir. Belirlenen YMBK hücresi için göreceli yoğunluk ve homojenize elastisite modülü arasındaki ilişki, topoloji optimizasyonunda izotropik özellik fonksiyonu olarak kullanılan iki alternatif olan cezalandırmalı katı izotropik malzeme (ing. Solid Isotropic Material with Penalization- SIMP) ve Malzeme özelliklerinin kesirli yaklaşımı (ing. Rational Approximation of Material Properties- RAMP) fonksiyonları ile modellenmiştir. RAMP ile modellemenin, SIMP fonksiyonuna göre daha uygun sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. YMBK için belirlenen RAMP fonksiyonu ile topoloji optimizasyonu süreci farklı örnek uygulamalar için kullanılmıştır. Bu örnekler için topoloji optimizasyonu sonuçları ile elde edilen latis malzeme tasarımları, üç boyutlu katı elemanlarla modellenip analiz edilmiş ve literatürdeki sonuçlar ile de karşılaştırılarak etkinliği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Lattice materials are preferred in the design of structural components due to their lightweight nature, durable structure, high energy absorption capacity, thermal insulation, and vibration damping capabilities. To design with lattice materials, the topology optimization method, performed under the assumption of isotropic material, is widely used. Using this topology optimization method, it is suitable to employ lattice cells exhibiting isotropic properties for obtaining a design with lattice materials. However, when all strut elements in existing cubic lattice cells have the same diameter, isotropic properties cannot be achieved. To achieve isotropic properties, the strut diameters in the inner and outer regions of the lattice cells can be differentiated, thereby making the properties of the lattice cell isotropic. Nonetheless, using strut of different diameters complicates the modeling process compared to cells where all struts have the same diameter, as it requires modeling struts of varying diameters. Additionally, the modeling process is further constrained by the manufacturability limits of the upper and lower diameter values, restricting the design space. As a solution to these issues, this thesis proposes a lattice cell that exhibits the closest properties to isotropy while all struts in a cubic lattice cell have the same diameter. To this end, the Young's modulus, shear modulus, and Poisson's ratios of various lattice cell types formed by different arrangements of strut elements in a cubic cell were determined using the homogenization method at different relative densities. Using these values, the anisotropy ratios of the cells were calculated, and the face-centered simple cubic (FCSC) cell was identified as the cell type exhibiting properties closest to isotropy. For the identified FCSC cell, the relationship between relative density and homogenized Young's modulus was modeled using two alternatives for the isotropic property function employed in topology optimization: the Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) and the Rational Approximation of Material Properties (RAMP) functions. It was observed that modeling with RAMP yielded more suitable results compared to the SIMP function. The topology optimization process using the RAMP function identified for the FCSC was applied to various example applications. For these examples, the topology optimization results of the obtained lattice material designs were modeled and analyzed with three-dimensional solid elements, and their effectiveness was demonstrated by comparison with results in the literature.
Benzer Tezler
- Multi objective optimization of structures under multiple loads using singular value decomposition
Çok sayıda yüklere maruz yapıların tekil değer ayrıştırması ile çok amaçlı optimizasyonu
AHMET TURAN
Doktora
İngilizce
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
- Effects of mistakes which made during the hole tapping manually on tensile strength of a threaded connection
Vidalı bağlantılarda gövdeye manuel olarak delik açmada yapılan hataların bağlantının çekme mukavemetine etkisi
KAMİL FERATOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ
- Auxetic malzemelerde Poisson oranı: Bir yapay sinir ağları modeli
Poisson's ratio in auxetic materials a neural networks model
AYŞE GÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mühendislik BilimleriAtatürk Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET HAMİT ÖZYAZICIOĞLU
- Development of a segmented detector for reactor antineutrinos
Reaktör antinötrinoları için bölmeli bir dedektörün geliştirilmesi
MUSTAFA KANDEMİR
Doktora
İngilizce
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUAMMER ALTAN ÇAKIR
- Improving mechanical properties of additive manufacturing products using novel infill and slicing methods
Katmanlı imalat ürünlerinin mekanik özelliklerinin yenilikçi dolgu ve dilimleme yöntemleri ile gelistirilmesi
ARASH ARMANFAR
Doktora
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERKAN GÜNPINAR