Topology Optimization-Based Lightweight Chassis Design: A Case Study on Structural Efficiency Enhancement for an Autonomous Scale Vehicle

Abstract

This study aims to enhance structural efficiency and achieve material savings by employing the topology optimization method for the lightweight design of an autonomous model vehicle chassis. During the design process, the penalty-based Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) method, available within ANSYS Academic software, was utilized. Initially, a structural analysis of the chassis was conducted, followed by the application of topology optimization based on the finite element method (FEM) results. Through iterative solutions under specified loading conditions and boundary constraints, a mass reduction of approximately 27% was achieved compared to the initial geometry. Despite the reduction in mass, the design maintained its structural integrity. Graphical analyses indicated that the optimization process reached convergence after the fifth iteration, with a stabilized distribution of material. The results demonstrate the potential of topology optimization to develop low-cost, lightweight, yet robust structural solutions, emphasizing its effectiveness as an engineering tool in systems where weight reduction is critical, such as autonomous model vehicles.

Keywords

• autonomous vehicle
• FEM
• SIMP method
• structural analysis
• topology optimization

Topoloji Optimizasyonu Tabanlı Hafifletilmiş Şasi Tasarımı: Otonom Bir Model Aracın Yapısal Verimliliği Üzerine Uygulama

Öz

Bu çalışmada, otonom bir model araç şasisinin hafif tasarımı için topoloji optimizasyon yönteminin kullanılmasıyla yapısal verimliliğin artırılması ve malzeme tasarrufu sağlanması amaçlanmıştır. Tasarım sürecinde, ANSYS Akademik yazılımı içerisinde bulunan ceza tabanlı Cezalı Katı İzotropik Malzeme (SIMP) yöntemi kullanılmıştır. İlk olarak şasinin yapısal analizi gerçekleştirilmiş, ardından sonlu elemanlar yöntemi (FEM) sonuçlarına dayalı topoloji optimizasyonu uygulanmıştır. Belirtilen yükleme koşulları ve sınır kısıtlamaları altında yinelemeli çözümler sayesinde başlangıç geometrisine kıyasla yaklaşık %27'lik bir kütle azaltımı elde edilmiştir. Kütle azaltımına rağmen tasarım yapısal bütünlüğünü korumuştur. Grafiksel analizler, optimizasyon sürecinin beşinci yinelemeden sonra malzeme dağılımının stabilize olmasıyla yakınsamaya ulaştığını göstermiştir. Sonuçlar, topoloji optimizasyonunun düşük maliyetli, hafif ve aynı zamanda sağlam yapısal çözümler geliştirme potansiyelini ortaya koymakta ve otonom model araçlar gibi ağırlık azaltımının kritik olduğu sistemlerde bir mühendislik aracı olarak etkinliğini vurgulamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• otonom araç
• FEM
• SIMP yöntemi
• yapısal analiz
• topoloji optimizasyonu

References

1. [1]. Chen, L., Lian, H., Dong, H.-W., Yu, P., Jiang, S., & Bordas, S. P. A. (2024). Broadband topology optimization of three-dimensional structural-acoustic interaction with reduced order isogeometric FEM/BEM. Journal of Computational Physics, 509, 113051. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2024.113051
2. [2]. Mete, E., & Başak, H. (2024). Topoloji optimizasyonu kullanılarak rot başı tasarımı, analizi ve doğrulanması. Politeknik Dergisi, 27(3), 1053–1068. https://doi.org/10.2339/politeknik.1198353
3. [3]. Nazlı, A., & Özsoy, N. (2024). Bir otomobil salıncağının topoloji optimizasyonu. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 29(2). https://doi.org/10.17482/uumfd.1431634
4. [4]. Karamert, S., & Demir, A. (2022). Ticari otobüs gövde yapısında topoloji optimizasyonu çalışması. International Journal of Advanced Engineering and Pure Sciences, 34(2), 229–234. https://doi.org/10.7240/jeps.988228
5. [5]. Saraç, İ., & Koçak, A. T. (2024). Topology optimization and numerical verification in an aircraft engine bracket. Gümüşhane University Journal of Science, 14(1), 325–335. https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1329278
6. [6]. Korkut, H., Altay, M., & Aydın, H. (2023). Uçak kanadı tasarımı, analizi ve yapı elemanlarının topoloji optimizasyonu. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 28(3), 1091–1106. https://doi.org/10.53433/yyufbed.1250545
7. [7]. Çalık, B., & Uzun, G. (2024). Metal eklemeli imalatta topoloji optimizasyonu uygulamaları. Gazi University Journal of Science Part C: Design and Technology, 12(4), 832–844.
8. [8]. Canlıdinç, M. (2023). Topoloji optimizasyonu ile metal eklemeli imalat yönteminin endüstriyel uygulamaları. Kırklareli Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 9(2), 552–565. https://doi.org/10.34186/klujes.1404647

9. [9]. Arat, Ö., Duran, A., Erman, B., & Kibar, A. (2025). Structural investigation of pneumatic grippers for handling automotive parts using finite element analysis and topology optimization. KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 28(1).
10. [10]. Cai, Q., Feng, R., Zhang, Z., & Wang, X. (2024). Topology optimization of truss structure considering kinematic stability based on mixed-integer programming approach. Structural and Multidisciplinary Optimization, 67, 112. https://doi.org/10.1007/s00158-024-03827-6
11. [11]. Tuğsal, Ü. M., & Deniz, A. (2024). Endüstriyel depo raf sistemlerinin yapısal güvenliğinin dinamik etkiler altında incelenmesi. DÜMF Mühendislik Dergisi, 15(1), 209–221. https://doi.org/10.24012/dumf.1286960
12. [12]. Akdağ, M., & Çelebi, M. (2022). Ateş Böceği algoritması ile yağlı tip transformatörün ağırlık optimizasyonu. Dicle University Journal of Engineering, 13(2), 169–180.
13. [13]. Parla, G., Yıldırım, M., & Özdemir, M. (2023). Maximum power control and optimization of switched reluctance generators for wind turbines. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 14(1), 55–64. https://doi.org/10.24012/dumf.1232026
14. [14]. Dündar, A., İzci, D., Ekinci, S., & Eker, E. (2021). A novel modified Lévy flight distribution algorithm based on Nelder–Mead method for function optimization. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 12(3), 487–497. https://doi.org/10.24012/dumf.955645
15. [15]. Altay, O., & Altay, E. V. (2022). Investigation of slime mould algorithm and hybrid slime mould algorithms’ performance in global optimization problems. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 13(4), 661–671. https://doi.org/10.24012/dumf.1177288
16. [16]. Sucuoğlu, H. S., Böğrekci, İ., Demircioğlu, P., & Aksoy, B. (2025). Design and development of effective furrower mounting bracket using topology optimization. DÜMF Mühendislik Dergisi, 16(2), 377–383. https://doi.org/10.24012/dumf.1584851
17. [17]. Gao, Y., Zhou, S., & Li, M. (2025). Structural topology optimization based on deep learning. Journal of Computational Physics, 520, 113506. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2024.113506
18. [18]. Yingjun, W., Xining, L., Kai, L., & Peng, W. (2023). Open-source codes of topology optimization: A summary for beginners to start their research. Computer Modeling in Engineering & Sciences, 137(1.1), 1526–1506. https://doi.org/10.32604/cmes.2023.027603
19. [19]. Cheng, K. T., & Olhoff, N. (1981). An investigation concerning optimal design of solid elastic plates. International Journal of Solids and Structures, 17(3), 305–323. https://doi.org/10.1016/0020-7683(81)90065-2
20. [20]. Bendsøe, M. P., & Kikuchi, N. (1988). Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 71(2), 197–224. https://doi.org/10.1016/0045-7825(88)90086-2
21. [21]. Bendsøe, M. P. (1989). Optimal shape design as a material distribution problem. Structural Optimization, 1(4), 193–202.
22. [22]. Bendsøe, M. P., & Sigmund, O. (2003). Topology optimization: Theory, methods, and applications. Berlin, Germany: Springer.
23. [23]. Xie, Y. M., & Steven, G. P. (1993). A simple evolutionary procedure for structural optimization. Computers & Structures, 49(5), 885–896. https://doi.org/10.1016/0045-7949(93)90035-C
24. [24]. Querin, O., Steven, G., & Xie, Y. (1998). Evolutionary structural optimisation (ESO) using a bidirectional algorithm. Engineering Computations, 15(8), 1031–1048. https://doi.org/10.1108/02644409810244129
25. [25]. Wang, M. Y., Wang, X., & Guo, D. (2003). A level set method for structural topology optimization. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 192(1), 227–246. https://doi.org/10.1016/S0045-7825(02)00559-5
26. [26]. Allaire, G., Jouve, F., & Toader, A. M. (2004). Structural optimization using sensitivity analysis and a level-set method. Journal of Computational Physics, 194(1), 363–393. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2003.09.032
27. [27]. Gao, Y., Zhou, S., & Li, M. (2025). Structural topology optimization based on deep learning. Journal of Computational Physics, 520, 113506. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2024.113506
28. [28]. Travieso-Rodriguez, J. A., Jerez-Mesa, R., Llumà, J., Traver-Ramos, O., Gomez-Gras, G., & Roa Rovira, J. J. (2019). Mechanical properties of 3D-printing polylactic acid parts subjected to bending stress and fatigue testing. Materials, 12(23), 3859. https://doi.org/10.3390/ma12233859
29. [29]. Erőss, L. D., & Markovits, T. (2024). Mass reduction method for topology optimisation of a Ti6Al4V part for additive manufacturing. Production Engineering Archives, 30(3), 354–360. https://doi.org/10.30657/pea.2024.30.35
30. [30]. Güney, E., & Uzun, G. (2024). Investigation of the effects of topology optimization methods on rotary wing unmanned aerial vehicle design. Gazi Journal of Engineering Sciences, 10(3), 496–521. https://doi.org/10.30855/gmbd.0705AR04