Geri Dönüşüm Makinelerinde Kullanılan Paletli Yürüyüş Sisteminin Modal Analizi ve Topoloji Optimizasyonu

Abstract

Son yıllarda birçok bilim insanı paletli makinelerin titreşim karakteristiklerini farklı açılardan incelemiş, özellikle titreşim analizi, makinenin şasi çerçevesinin modal analizi, titreşim modelinin oluşturulması, makinedeki çeşitli ekipmanların titreşimi ve gürültüsü üzerine yoğunlaşmıştır. Günümüzde araştırmacılar, makinelerin ürettiği gürültü ve titreşim seviyesini azaltırken makineleri daha güvenli hale getirmeye odaklanmışlardır. Sanayide, çoğu yapının ağırlığı ve boyutları azaltıldığında mukavemetinin değişmemesi hedeflenmektedir. Benzer şekilde yapısal dayanıklılık ve sağlamlık da yaygın titreşim sorunlarında önemli özelliklerdir. Topoloji optimizasyonu yapısal bütünlüğünü etkilemeden malzeme yerleşimini optimize ederek ağırlık azaltımına yardımcı olur. Bu çalışmada çelik paletli yürüyüş sistemin titreşimsel davranışını belirlemek için ilk aşamada modal analiz yapılmıştır. Daha sonra mod katılım faktörü ve etkin kütle kullanılarak en önemli doğal frekanslar ve modlar bulunmuştur. Çalışmanın ikinci aşamasında en önemli doğal frekansların arttırılması amacıyla paletli sistem şasisinin ağırlığını azaltmak için topoloji optimizasyonu uygulanmıştır. Titreşimli yapıların tasarımında rezonans tehlikesini önlemek için temel amaçlardan biri, yapının doğal frekanslarını dış uyarım frekanslarından uzak tutmaktır. Topoloji optimizasyonu ile elde edilmiş model, aynı kısıtlamalar altında orijinal tasarımla karşılaştırıldığında, %20 ağırlık azalması, %18 eşdeğer gerilme azalması ve %26 toplam şekil değiştirme azalmasının yanı sıra birinci dereceden doğal frekansında %18,4 artış elde etmiştir. Böylece bu çalışmada ANSYS kullanılarak yapılan topoloji optimizasyonu ile doğal frekanslarda artış sağlanmıştır.

Keywords

• Paletli Makine
• Modal Analiz
• Topoloji Optimizasyonu
• Katılım Faktörü
• Etkin Kütle

Modal Analysis and Topology Optimization of a Crawler Tracked System Used for Recycling Machines

Abstract

In recent years, a number of scholars have studied the vibration characteristics of the crawler tracked machines from different perpectives, largely focusing on the analysis of vibration, modal analysis of the machine’s chassis frame, the establishment of vibration model, vibration and noise of several equipments on the machine. At the present, researchers have been focused their attentions on making machines safer while reducing the level of noise and vibration that machines produce. In the industry, it is aimed that most structures do not change their strength when their weights and dimensions are decreased. Similarly, structural strength and durability are important properties in common vibration issues. Topology optimization helps in weight reduction by optimizing the material layout without affecting its structural integrity. In this study, the modal analysis is performed to determine the vibrational behaviour of the steel tracked system in the first step. Then the most important natural frequencies or modes are found using the mode participation factor and the effective mass. In the second step of the study, topology optimization is applied to reduce the tracked system undercarriage’s weight with the aim of maximizing the most important natural frequencies. One of the main goals in the design of vibrating structures in order to avoid risk of resonance is to keep the natural frequencies of this structure away from the external excitation frequencies. When the topology optimized model is compared to the original design under the same constraints, it has achieved a 20% weight reduction, a 18% reduction in maximum stress, and a 26% reduction in total deformation, beside a 18.4% increase in its first-order natural frequency. Thus increased natural frequencies are obtained by topology optimization using ANSYS in this study.

Keywords

• Crawler Machine
• Modal Analysis
• Topology Optimization
• Participation Factor
• Effective Mass

References

1. Topaç MM, Duran İ, Akpak F, Sümer Ş, Dökmecioğlu Y, Polat K. Paletli Hibrit İnsansız Kara Taşıtı (İKT) Bağımsız Süspansiyonunda, Çevrim Oranının Yapısal Etkilerinin İncelemesi. In: Manisa Celal Bayar Üniversitesi, V. Ulusal Üniversite Sanayi İş birliği, Arge ve İnovasyon Kongresi. Manisa; 2023.
2. Topaç MM, Duran İ, Akpak F, Sümer Ş, Dökmecioğlu Y, Polat K. Paletli İnsansız Kara Taşıtı (İKT) Bağımsız Süspansiyon Sisteminin Yapısal Analizi. In: International Marmara Sciences Congress (Imascon Spring). Kocaeli; 2023, p. 319-324.
3. Topaç MM, Polat K, Çolak O. Çelik Paletli Yürüyüş Sisteminde Yapısal Emniyetin Bakla-Makara Temas Konumuna Bağlı Değişiminin Sayısal İncelemesi. In: International Congress of New Horizons in Sciences. İstanbul; 2023, p. 83-88.
4. Crawler Tracks: The Complete Guide to Selection, Use, and Cost. Available from: www.biberger.de/en/blogs/news/raupenfahrwerk?_pos=1&_psq=craw&_ss=e&_v=1.0 [Accessed 21 November 2025].
5. Exploring The Crawler Crane Parts of Undercarriage. Available from: https://www.valuecrane.com/exploring-the-crawler-crane-parts-of-undercarriage/ [Accessed 21 November 2025].
6. Steel Track Undercarriage. Available from: www.crawlerchassis.com/track-undercarriage/steel-track-undercarriage/ [Accessed 21 November 2025].
7. Carletti E, Pedrielli F. Tri-axial Evaluation of the Vibration Transmitted to the Operators of Crawler Compact Loaders. International Journal of Industrial Ergonomics 2018;68:46-56. doi:10.1016/j.ergon.2018.06.007.
8. Zhang X, Peng K. Vibration Control Method for a Crawler-type Combine Harvester. Emirates Journal of Food and Agriculture 2018;30(10):873-882. doi:10.9755/ejfa.2018.v30.i10.1831.

9. Chołodowski J, Dudziński PA, Ketting M. On the Energy Losses due to Tracks Vibrations in Rubber Track Crawler Vehicles. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2021;21(59). doi:10.1007/s43452-021-00212-8.
10. Wang P, Rui X, Liu F, Wang G, Yu H, He B, et al. Generation Mechanism and Control of High-frequency Vibration for Tracked Vehicles. International Journal of Mechanical System Dynamics 2022;3(2):146-161. doi:10.1002/msd2.12059.
11. Coneo RJC, de Araujo WL, Garcia AP, de Paula MV, dos Santos AA. Rubber-tracked Crawler Undercarriage Multibody Dynamic Simulation for Agriculture Operation. Scientific Reports 2025;15(24829). doi:10.1038/s41598-025-08213-w.
12. Gülbahçe E, Sezgen HÇ, Çakan A. Topology Design and Modal Analysis of a Bracket via FEA. Applied Engineering Letters 2019;4(3):102-105. doi:10.18485/aeletters.2019.4.3.5.
13. Akilan S, Reddy KJ. Design Improvement of Steering Knuckle through Topology Optimization for Additive Manufacturing. Cogent Engineering 2024;11(1). doi:10.1080/23311916.2024.2416487.
14. Ye YC, Chang SL, Chan TC, Chang KC. Comprehensive Modal Analysis, Experimental Validation, and Topology Optimization of High-Precision Surface Grinding Machine. Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers 2025;46(1):51-61.
15. Zhang H, Yin H, Deng X, Xu H, Yao Z. Research on the Lightweight Design of Aviation Generator Rear Cover Utilizing Topology Optimization. Applied Sciences 2025;15(17):1-23. doi:10.3390/app15179842.
16. Diaz AR, Kikuchi N. Solutions to Shape and Topology Eigenvalue Optimization Problems Using a Homogenization method. International Journal for Numerical Methods in Engineering 1992;35:1487-1502. doi:10.1002/nme.1620350707.
17. Ma ZD, Cheng HC, Kikuchi N. Structural Design for Obtaining Desired Eigenfrequencies by Using the Topology and Shape Optimization Method. Computer Systems Engineering 1994;5(1):77-89. doi:10.1016/0956-0521(94)90039-6.
18. Ma ZD, Kikuchi N, Cheng HC. Topological Design for Vibrating Structures. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 1995;121:259-280. doi:10.1016/0045-7825(94)00714-X.
19. Diaz A, Lipton R, Soto C. A New Formulation of the Problem of Optimum Reinforcement of Reissner-Mindlin Plates. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 1995;123:121-139. doi:10.1016/0045-7825(94)00777-K.
20. Kosaka I, Swan CC. A Symmetry Reduction Method for Continuum Structural Topology Optimization. Computers & Structures 1999;70:47-61. doi:10.1016/S0045-7949(98)00158-8.
21. Krog LA, Olhoff N. Optimum Topology and Reinforcement Design of Disk and Plate Structures with Multiple Stiffness and Eigenfrequency Objectives. Computers & Structures 1999;72:535-563. doi:10.1016/S0045-7949(98)00326-5.
22. Pedersen NL. Maximization of Eigenvalues Using Topology Optimization. Structural and Multidisciplinary Optimization 2000;20:2-11. doi:10.1007/s001580050130.
23. Kelly SG. Fundamentals of Mechanical Vibrations. New York: McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering; 1993.
24. Vysoký R. Current Capabilities of Modal Analysis of Aircraft Propeller in ANSYS Mechanical Environment. Advances in Military Technology 2017;12(1):33-47. doi:10.3849/aimt.01160.
25. Innovation Courses, Modal Analysis, Mode Participation Factor and Effective Mass, Lesson 4. Available from: https://innovationspace.ansys.com/courses/courses/modal-analysis/lessons/mode-participation-factor-and-effective-mass-lesson-4/ [Accessed 21 November 2025].
26. AYMAS Recycling Machinery Company Website. Available from: http://www.aymasmakina.com/ [Accessed 21 November 2025].
27. Olhoff N, Du J. On Topological Design Optimization of Structures Against Vibration and Noise Emission. In: Computational Aspects of Structural Acoustics and Vibration. CISM International Centre for Mechanical Sciences; 2008;505:217-276. doi:10.1007/978-3-211-89651-8_5.