Design, structural optimization and experimental validation of an additively manufactured aerospace sandwich panel with different lattice cores
Farkli kafes çekirdeklere sahip eklemeli imalatla üretilmiş bir havacilik sandviç panelinin tasarimi, yapisal optimizasyonu ve deneysel doğrulamasi
- Tez No: 940966
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ULAŞ YAMAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 329
Özet
Sandviç yapılar, yüksek direngenlik/ağırlık oranları nedeniyle havacılık ve savunma sanayilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, geleneksel üretim yöntemleri bu yapıları tekdüze köpük veya bal peteği çekirdeklerle sınırlandırarak mekanik performanslarını kısıtlamaktadır. Öte yandan, eklemeli imalat (AM) alanındaki son gelişmeler, artık karmaşık ve değişken yoğunluklu kafes çekirdeklere sahip sandviç yapıların hassas bir şekilde üretilmesine olanak tanıyarak, ihtiyaca özgü performans optimizasyonu için yeni fırsatların önünü açmaktadır. Bu çalışma, havacılık sandviç panelleri için modifiye edilmiş Katı İzotropik Malzeme Cezalandırma (SIMP) yöntemini kullanan bir Homojenizasyon Tabanlı Topoloji Optimizasyonu (HMTO) çerçevesi sunmaktadır. Geleneksel tasarımların aksine, bu çalışmadaki sandviç panel tasarımı Hacim Merkezli Kübik (BCC), Oktet, Primitif ve Gyroid dahil olmak üzere farklı kafes çekirdek türlerini içermektedir. Panel, üst ve alt yüzey levhaları, bir kafes çekirdek ve bağlantı elemanlarının montajı için tasarlanmış katı dolgu bölgelerinden oluşmaktadır. Optimizasyon sürecinde, yüzey levhaları ve kafes çekirdek tasarım alanları olarak işlev görürken, katı dolgu bölgeleri herhangi bir değişikliğe uğramadan kalmaktadır. Kafes yapıların eşdeğer izotropik malzeme özellikleri, kübik polinom uydurması ile birlikte Gibson-Ashby modeli kullanılarak sayısal homojenizasyon yoluyla elde edilmiştir. Yukarıda bahsedilen sandviç panel tasarımını, minimum temel doğal frekans ve maksimum toplam kütle kısıtlarını sağlarken, direngenliği maksimize ederek optimize etmek amacıyla özel bir MATLAB kodu geliştirilmiştir. Bu kod, modifiye edilmiş SIMP tabanlı bir HMTO yaklaşımını, OptiStruct sonlu elemanlar (FE) çözücüsü ve Hareketli Asimptotlar Yöntemi (MMA) optimizasyon algoritması ile entegre etmektedir. Optimizasyon sonuçları, Radyal Temel Fonksiyon (RBF) enterpolasyonu kullanılarak nTopology yazılımında yeniden yapılandırılmış ve ardından sonlu elemanlar analizi (FEA) ile doğrulanmıştır. İlave doğrulama, optimize edilmiş sandviç panellerin Multi Jet Fusion (MJF) 3D baskı kullanılarak imal edilmesi ve deneysel modal testlerin yapılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Hem sayısal hem de deneysel sonuçlar önerilen HMTO yönteminin doğruluğunu teyit etmektedir. Aralarında BCC ve Oktet yapılarının yer aldığı dikme tabanlı kafesler için optimizasyon, tamamen katı panele kıyasla kütlede %50 azalma ve temel doğal frekansta yaklaşık %25 artış ile birlikte yapısal direngenlikte belirgin bir iyileşme elde etmektedir. Benzer şekilde, Primitif ve Gyroid yapılarını içeren üçlü periyodik minimal yüzey (TPMS) kafesler için optimizasyon, tamamen katı panele kıyasla kütlede %50 azalma, temel doğal frekansta yaklaşık %30 artış ve yapısal direngenlikte önemli bir iyileşme sağlamaktadır. Bu sonuçlar, işlevsel olarak derecelendirilmiş kafes çekirdeklerin, yapısal direngenliği ve temel doğal frekansı artırırken kütleyi önemli ölçüde azaltma konusundaki etkinliğini ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Sandwich structures are widely used in the aerospace and defense industries due to their high stiffness-to-weight ratio. However, conventional manufacturing methods constrain these structures to uniform foam or honeycomb cores, thereby limiting their mechanical performance. Recent advancements in additive manufacturing (AM), however, now enable the precise fabrication of sandwich structures with intricate and variable-density lattice cores, unlocking new opportunities for tailored performance optimization. This study presents a homogenization-based topology optimization (HMTO) framework utilizing a modified Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) method for aerospace sandwich panels. Unlike conventional designs, the sandwich panel configuration in this study incorporates different lattice core types, including Body-Centered Cubic (BCC), Octet, Primitive, and Gyroid. The panel consists of upper and lower face-sheets, a lattice core, and solid insert regions designed for fastener installation. In the optimization process, the face-sheets and lattice core serve as design domains, whereas the insert regions remain unmodified. The equivalent isotropic material properties of the lattice structures are determined through numerical homogenization, employing the Gibson-Ashby model along with cubic polynomial fitting. To optimize the aforementioned sandwich panel design by minimizing compliance (i.e., maximizing stiffness) while satisfying constraints on the minimum fundamental natural frequency and the maximum total mass, a custom MATLAB script is developed. This script integrates a modified SIMP-based HMTO approach with the OptiStruct finite element (FE) solver and the Method of Moving Asymptotes (MMA) optimization algorithm. The optimization results are reconstructed within the nTopology software using Radial Basis Function (RBF) interpolation and subsequently validated through finite element analysis (FEA). Further validation is performed by fabricating the optimized sandwich panels using Multi Jet Fusion (MJF) 3D printing and conducting experimental modal testing. Both numerical and experimental results confirm the accuracy of the proposed HMTO method. For strut-based lattices, including BCC and Octet structures, the optimization achieves a significant reduction in structural compliance, along with a 50% reduction in mass and approximately a 25% increase in the fundamental natural frequency compared to the fully solid panel. Similarly, for triply periodic minimal surface (TPMS) lattices, including Primitive and Gyroid structures, the optimization results in a substantial reduction in structural compliance, a 50% mass reduction, and approximately a 30% increase in the fundamental natural frequency relative to the fully solid panel. These findings demonstrate the effectiveness of functionally graded lattice cores in enhancing structural stiffness and fundamental natural frequency while achieving significant mass reduction.
Benzer Tezler
- Design optimization and experimental validation of the additively manufactured passive vibration isolator of an inertial measurement unit in aerospace applications
Havacılık uygulamalarında bir ataletsel ölçüm biriminin eklemeli imalat ile üretilen pasif titreşim izolatörünün tasarım optimizasyonu ve deneysel doğrulaması
COŞKU VARDALLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN
DR. CEYHUN TOLA
- Numerical and experimental investigation of fiber-reinforced constant and variable stiffness composites for open hole tension with fiber continuity and curvature constraints
Fiber sürekliliği ve amaçlı kısıtlamalar ile açık delik gerginliğinde elyaf dayanıklı sabit ve değişken yapışkanlığı kompozitlerinin sayısal ve deneysel araştırılması
TORKAN SHAFIGHFARD
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERALP DEMİR
- A multi-level upscaling and validation framework for uncertainty quantification in additively manufactured lattice structures
Başlık çevirisi yok
RECEP MUHAMMET GÖRGÜLÜARSLAN
- Üretken tasarım metodu ile yük kancası tasarımının optimizasyonu
Design optimization of crane hook by using generative design approach
CİHAT SOFRACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVAT ERDEM İMRAK
- Toz yatağında katmanlı imalat prosesinin sonlu elemanlarla modellenmesi
Process modeling of powder bed fusion additive manufacturing with finite element method
FATİH YARDIMCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU