DESIGN AND OPTIMISATION OF A CHIRAL LATTICE STRUCTURE

Year 2024, , 202 - 213, 30.08.2024

Yusuf Bostancıoğlu , İlyas Kacar

https://doi.org/10.46519/ij3dptdi.1452986

Abstract

Chiral lattice structures have euxetic behaviour, which are manufactured by replicating zigzag-shaped cubic cells on top of each other and side by side. In this study, a chiral lattice structure is designed and optimised. The material is Ti-6Al-4V titanium alloy. The cross-section of the lattice structure is circular. Finite element based simulation is used for structural analysis. In the simulation, the structure is fix-supported at one end. As load, axial displacement is applied to the free end. Stress, deformation, energy, and Poisson's ratio are obtained at the end of the simulation. These parameters, lattice dimensions, and the applied load are subjected to genetic algorithm-based optimisation. In the optimisation, it is aimed to obtain maximum strength with minimum size. As a result, optimum values are obtained and response surfaces giving the relationship between the parameters are presented. When the cross-section radius is 1 mm, the structure withstands a displacement of 0.12 mm. In this case, tensile stresses of 266.05 MPa and compressive stresses of 233.34 MPa occur in the structure. These values are below the yield strength of the structure. In this state, the mass of the structure is 0.4549 g.

Keywords

Finite element simulation, composite panel, 3D chiral euxetic core, optimization, structural analysis

BİR KİRAL KAFES YAPININ TASARIM VE OPTİMİZASYONU

Abstract

Kiral kafes yapıları zikzak şeklinde kübik hücrelerin üst üste ve yan yana çoğaltılmasıyla oluşturulan ökzetik davranışa sahip yapılardır. Bu çalışmada bir kiral kafes yapının tasarımı ve optimizasyonu yapılmıştır. Malzeme Ti-6Al-4V titanyum alaşımıdır. Kafes yapının ayrıt kesiti daireseldir. Yapısal analiz için sonlu eleman esaslı simülasyon yapılmıştır. Simülasyonda yapı bir ucundan ankastre bağlantı ile mesnetlenmiştir. Yük olarak da yapının serbest ucuna eksenel yer değiştirme uygulanmıştır. Simülasyon sonunda gerilme, deformasyon, enerji, Poisson oranı elde edilmiştir. Bu parametreler ve kafesin boyutları, uygulanan yük değerleri genetik algoritma esaslı optimizasyona tabii tutulmuştur. Optimizasyonda minimum boyut ile maksimum dayanımın elde edilmesi amaçlanmıştır. Sonuç olarak optimum değerler elde edilmiş ve parametrelerin birbirleri ile ilişiklerini veren cevap yüzey fonksiyonları sunulmuştur. Buna göre ayrıt kesitin yarıçapı 1 mm olduğunda yapı 0,12 mm yer değiştirmeye dayanmaktadır. Bu durumda yapı içerisinde 266,05 MPa değerinde çekme ve 233,34 MPa değerinde basma gerilmeleri oluşmaktadır. Bu değerler yapının akma dayanımının altındadır. Bu hâli ile yapının kütlesi 0,4549 g değerindedir.

Keywords

Sonlu elaman simülasyonu, kompozit panel, 3D kiral ökzetik çekirdek, optimizasyon, yapısal analiz

Ethical Statement

Yazarlar arasında çıkar çatışması bulunmamaktadır.

Supporting Institution

--

Thanks

Bu çalışmanın inceleme ve değerlendirme aşamasında yapmış oldukları değerli katkılardan dolayı editör, hakem ve emeği geçenlere içten teşekkür ederim.

References

• 1. Merriam Webster, "chiral", in Merriam Webster America, Encyclopaedia Britannica, 2024.
• 2. Darroudi, M., Nazari, S. E., Kesharwani, P., Rezayi, M., Khazaei, M., and Sahebkar, A., "Background of carbon nanotubes for drug delivery systems", in Emerging Applications of Carbon Nanotubes in Drug and Gene Delivery, Woodhead Publishing Series in Biomaterials, Pages 1-35, Woodhead Publishing, Sawston, Cambridge, 2023.
• 3. Abdeljaber, O., Avci, O., Inman, D. J., "Optimization of chiral lattice based metastructures for broadband vibration suppression using genetic algorithms", Journal of Sound and Vibration, Vol. 369, Issue 50, Pages 13-44, 2016.
• 4. Bakir, D., and Savaş, S., "Çarpma yükü etkisinde sandviç plakların şekil optimizasyonu", Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Cilt 10, Sayı 1, Sayfa 113-127, 2021.
• 5. Toğan, V., DaloğLu, A., "Genetik algoritma ile üç boyutlu kafes sistemlerin şekil ve boyut optimizasyonu", Teknik Dergi, Cilt 17, Sayı 82, Sayfa 3809-3824, 2006.
• 6. Doğanalp, S., Turgut, B., "Statik ve kinematik modelde deformasyon analizi", Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim ve Teknoloji Dergisi, Cilt 24, Sayı 2, Sayfa 31-49, 2009.
• 7. Küçükönder, M., Uçar, M., "Üretim etkinliğinde simülasyon", Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi, Cilt 5, Sayı 1, Sayı 117-129, 2015.
• 8. Erdem, M., Gök, K., Tümsek, M., Gök, A., "Bir bisiklet gövdesinin sonlu elemanlar yöntemiyle statik analizi", Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Cilt 6, Sayı 2, Sayı 605-632, 2019.
• 9. Ha, C. S., Plesha, M. E., Lakes, R. S., "Chiral three-dimensional lattices with tunable Poisson’s ratio", Smart Materials and Structures, Vol 25, Issue 5, Pages 054005-050076, 2016.
• 10. Barad, R. S., Nagesh, B. K., Barad, S., Suresh, T. N., "Influence of chiral lattice on modal characteristics of structures", in Gullapalli Sivaramakrishna, S. Kishore Kumar and B. N. Raghunandan Singapore, editors, Proceedings of the National Aerospace Propulsion Conference, Springer Nature Pages 209-230, Singapore, 2023.
• 11. Körner, C., Liebold-Ribeiro, Y., "A systematic approach to identify cellular auxetic materials", Smart Materials and Structures, Vol. 24, Issue 1, 2015.
• 12. Warmuth, F., Körner, C., "Phononic band gaps in 2D quadratic and 3D cubic cellular structures", Materials (Basel), Vol. 8, Issue 12, Pages 8327-8353, 2015.
• 13. Wormser, M., Warmuth, F., Körner, C., "Evolution of full phononic band gaps in periodic cellular structures", Applied Physics A, Vol. 123, Issue 10, Pages 661-689, 2017.
• 14. Warmuth, F., Osmanlic, F., Adler, L., Lodes, M. A., Körner, C., "Fabrication and characterisation of a fully auxetic 3D lattice structure via selective electron beam melting", Smart Materials and Structures, Vol. 26, Issue 2, Pages 025013-025056, 2017.
• 15. Ansys, "Theory Manual Version 9.0", Canonsburg, PA, USA., ANSYS Inc., 2004.
• 16. Korkmaz, C., Kacar, İ., "Hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları için optimum ağ elemanı yapısının belirlenmesi", In Osman Gökdoğan Deniz Yılmaz, Önder Uysal, Mehmet Emin Gökduman, Ahmet Süslü editörler, Tarımsal mekanizasyon ve enerji üzerine güncel araştırmalar, Sayfa 109-125, Akademisyen Yayinevi, Ankara, 2021.
• 17. Kacar, İ., Korkmaz, C., "Determination of drying kinetics of a N25P5K5 type new generation plant food by regression and machine learning methods", Cukurova University Journal of the Faculty of Engineering, Vol. 37, Issue 4, Pages 989-1024, 2022.
• 18. Kacar, İ., Korkmaz, C., "Prediction of agricultural drying using multi-layer perceptron network, long short-term memory network and regression methods", Gümüşhane University Journal of Science and Technology Institute, Vol 12, Issue 4, Pages 1188-1205, 2022.
• 19. Vigliotti, A., Pasini, D., "Mechanical properties of hierarchical lattices", Mechanics of Materials, Vol. 62, Pages 32-43, 2013.
• 20. Gülcan, O., Simsek, U., Kavas, B., "Eklemeli İmalatla üretilen işlevsel olarak derecelendirilmiş metal yapılar", Mühendis ve Makina, Cilt. 62, Sayı 702, Sayfa 1-12, 2021.
• 21. Park, K.-M., Min, K.-S., Roh, Y.-S., "Design optimization of lattice structures under compression: study of unit cell types and cell arrangements", Materials, Vol. 15, Issue 1, Pages 97-102, 2022. 22. Fernandes, R. R., Tamijani, A. Y., "Design optimization of lattice structures with stress constraints", Materials and Design, Vol. 210, Issue 110026, 2021.
• 23. Khan, N., Acanfora, V., "Non-Conventional wing structure design with lattice infilled through design for additive manufacturing", Vol. 17, Issue 7, Pages 1470-1478, 2024.