Hibrit topoloji optimizasyon platformu geliştirilerek kalıp ve parça tasarımının eş zamanlı gerçekleştirilmesi
Development of a hybrid topology optimization framework and its application on concurrent mold and part design
- Tez No: 978486
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET HANİFİ ERTAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Döküm kalıpları, Mekanik yorulma, Metal döküm, Plastik enjeksiyon, Yapısal optimizasyon, Casting molds, Mechanical fatigue, Metal casting, Plastic injection, Structural optimizasyon
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekanik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Mekanik bileşen tasarımında, yapısal hafiflik ve yüksek performans ile üretilebilirlik arasındaki dengeyi kurmak temel bir mühendislik sorunudur. Geleneksel tasarım yöntemleri, bu çok disiplinli gereksinimleri aynı anda karşılamakta genellikle yetersiz kalmaktadır. Bu çalışma, söz konusu açığı kapatmak amacıyla, yapısal performans ile üretim kısıtlamalarını entegre bir şekilde optimize eden hibrit bir platform geliştirmiştir. Önerilen yaklaşım, yoğunluk tabanlı topoloji optimizasyonunu; alt modelleme, şekil optimizasyonu, eleman silme ve artık gerilme simülasyonu gibi ileri adımlarla birleştirerek, nihai tasarımın hem mekanik açıdan verimli hem de döküm ve polimer esaslı üretim yöntemleri (3B baskı, enjeksiyon kalıplama) için uygulanabilir olmasını sağlamaktadır. Metodolojinin çekirdeğinde yer alan Alt Modelleme–Yoğunluk–Şekil–Eleman Silme (S-D-S-ER) algoritması, hesaplama kaynaklarını kritik bölgelere odaklayarak yüksek çözünürlüklü gerilme analizi ve şekil optimizasyonu yapılmasına olanak tanır. Bu sayede hem hesaplama süresi kısaltılır hem de tasarım doğruluğu artırılır. Üretim kaynaklı artık gerilmeleri modellemek için geliştirilen AETDPA (Komşu Eleman Sıcaklık Tahrikli Ön Gerilme) algoritması, ısıl gerilme alanlarını mekanik yüklemelere entegre ederek gerçekçi bir simülasyon ortamı sunar. Araştırmanın bir diğer önemli çıktısı, yolluk ve giriş noktalarını otomatik olarak konumlandıran açgözlü arama temelli bir algoritmadır. Bu sayede parça ve kalıp geometrisi eşzamanlı olarak optimize edilebilmekte, kalıp ayırma yönü ve malzeme akışı gibi üretim kısıtlamaları doğrudan tasarım döngüsüne dahil edilebilmektedir. Deneysel validasyon, 3B baskı ve enjeksiyonla kalıplanmış polimer numuneler üzerinde gerçekleştirilmiş; eğme, çekme ve yorulma testleri sonucunda simülasyon tahminleri ile deneysel gözlemler arasında yüksek bir uyum tespit edilmiştir. Ayrıca, yorulma ömrü üzerinde mikro-makro geometrik parametrelerin birincil etkisi vurgulanmış ve geliştirilen çerçevenin bu parametreleri şekil optimizasyonu ile eşgüdümlü olarak işleyebildiği gösterilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma; dijital döküm mühendisliği ve ileri üretim sistemleri için, sayısal tasarımı fiziksel üretim gerçeklikleri ile bütünleştiren, süreç odaklı ve geometri yönlendirmeli kapsamlı bir tasarım metodolojisi sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In mechanical component design, balancing structural lightness and high performance with manufacturability poses a fundamental engineering challenge. Traditional design methods often fall short in simultaneously addressing these multidisciplinary requirements. This study aims to bridge this gap by developing a hybrid optimization platform that integrally optimizes structural performance and manufacturing constraints. The proposed approach combines density-based topology optimization with advanced steps such as submodeling, shape optimization, element removal, and residual stress simulation. This integration ensures that the final design is both mechanically efficient and practicable for casting and polymer-based manufacturing methods (3D printing, injection molding). At the core of the methodology lies the Submodeling–Density–Shape–Element Removal (S-D-S-ER) algorithm, which focuses computational resources on critical regions, enabling high-resolution stress analysis and shape optimization. This strategy reduces computational time while enhancing design accuracy. To model manufacturing-induced residual stresses, the developed AETDPA (Adjacent Element Temperature Driven Prestress) algorithm integrates thermal stress fields with mechanical loads, providing a realistic simulation environment. Another significant outcome of the research is a greedy search-based algorithm for the automatic placement of runners and ingates. This allows for the simultaneous optimization of part and mold geometry, directly incorporating manufacturing constraints like parting direction and material flow into the design loop. Experimental validation was performed on 3D-printed and injection-molded polymer specimens. Bending, tensile, and fatigue tests revealed a high correlation between simulation predictions and experimental observations. Furthermore, the primary influence of micro-macro geometric parameters on fatigue life was emphasized, demonstrating the framework's ability to co-optimize these parameters through shape optimization. In conclusion, this work provides a comprehensive, process-oriented, and geometry-driven design methodology for digital casting engineering and advanced manufacturing systems, effectively bridging the gap between digital design and physical production realities.
Benzer Tezler
- Design of additively manufactured hybrid structural brackets via topology optimization
Topoloji optimizasyonu ile eklemeli imalata uygun hibrit yapısal braketlerin tasarımı
CENGİZ KÖSEOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESUT KIRCA
- Integrated framework for hip joint simulator design and validation under realistic loading conditions
Gerçekçi yükleme koşullarında kalça eklemi simülatörü tasarımı ve doğrulamasına yönelik entegre yaklaşım
SHAMS TORABNIA
Doktora
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. İSMAİL LAZOĞLU
- Conceptual power conversion architecture for unmanned aerial vehicles utilizing BLDC motor as both starter and generator
BLDC motorun hem marş motoru hem de jeneratör olarak kullanıldığı insansız hava araçları için kavramsal güç dönüşüm mimarisi
EMEL TİMURKAYNAK SOLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Eklemeli imalatta hibrit yapıların topoloji optimizasyonu
Topology optimization of hybrid structures in additive manufacturing
FEHMİ MUTLU
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET CENGİZ KAYACAN
- Bir robot kol tutucunun topoloji optimizasyonu ve AlSi10Mg alaşımı ile hibrit üretimi
Topology optimizastion and hybrid production of a robotic arm gripper with AlSi10Mg alloy
KAĞAN MURAT PÜRLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSivas Bilim ve Teknoloji ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NAZIM BABACAN