Hibrit topoloji optimizasyon platformu geliştirilerek kalıp ve parça tasarımının eş zamanlı gerçekleştirilmesi
Küçük Resim Yok
Tarih
2025
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Bursa Teknik Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
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.
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.
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.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
