Kütle Azaltma ve Yapısal Performans Değerlendirmesi için Formula Student Ön Dikme Bileşeninin Topoloji Optimizasyonu

Öz

Formula tipi yarış otomobillerinde, performansı artırmak için en önemli tasarım hedeflerinden biri, yaylanmayan kütlenin azaltılmasıdır. Süspansiyon sisteminin temel bileşenleri olan dikmeler, yüksek mekanik yüklere maruz kaldıkları ve otomobilin dinamiklerini doğrudan etkiledikleri için hem hafif hem de dayanıklı olacak şekilde tasarlanmalıdır. Bu çalışma, Formula Student araçlarında kullanılan ön dikme bileşenini topoloji optimizasyon yaklaşımı kullanarak yeniden tasarlamayı ve optimize edilmiş tasarımların yapısal performansını değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Çalışma kapsamında, mevcut dikme geometrisine dayalı olarak farklı malzeme azaltma oranlarına sahip optimize edilmiş tasarımlar elde edilmiş ve bu tasarımlar yapısal davranışları açısından karşılaştırılmıştır. Optimizasyon sürecinde %30, %50 ve %70 oranında malzeme azaltımı uygulanmış ve elde edilen modeller maksimum gerilme ve toplam deformasyon kriterlerine göre incelenmiştir. Yüksek mukavemet-ağırlık oranı nedeniyle Alüminyum 7075-T6 alaşımı tercih edilmiştir. Sonuçlar, topoloji optimizasyonunun dikme bileşeninde önemli bir kütle azaltımı sağlayabileceğini göstermiştir. Artan malzeme azaltma oranlarıyla birlikte gerilim ve gerinim değerlerinde artış gözlemlenmesine rağmen, optimize edilmiş tasarımların kabul edilebilir güvenlik sınırları içinde kaldığı belirlenmiştir. Özellikle, orta düzeydeki malzeme azaltma oranlarının ağırlık tasarrufu ve yapısal dayanıklılık arasında dengeli bir çözüm sunduğu bulunmuştur. Bulgular, topoloji optimizasyonunun Formula Student ve benzeri yarış otomobillerinde hafif, dayanıklı ve yüksek performanslı süspansiyon bileşenleri geliştirmek için etkili bir tasarım yöntemi olduğunu ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Topoloji optimizasyonu
• Formula Student
• Ön dikme bileşeni
• Sonlu elemanlar analizi
• Alüminyum 7075-T6

Topology optimization of a formula student upright for mass reduction and structural performance assessment

Öz

In Formula-type racing cars, reducing unsprung mass is one of the critical design objectives for improving performance. As key components of the suspension system, the uprights must be designed to be both lightweight and durable, given that they are subjected to high mechanical loads and directly influence the car’s dynamics. This study aims to redesign the front upright section used in Formula Student vehicles using a topology optimization approach and to evaluate the structural performance of the optimized designs. Within the scope of the study, optimized designs with different material reduction ratios were obtained based on the existing upright geometry, and these designs were compared in terms of their structural behavior. In the optimization process, material reductions of 30%, 50%, and 70% were applied, and the resulting models were examined according to the criteria of maximum stress and total deformation. Aluminum 7075-T6 alloy was preferred due to its high strength-to-weight ratio. The results showed that topology optimization could provide a significant mass reduction in the upright component. Although increases in stress and strain values were observed with increasing material reduction ratios, it was determined that optimized designs remained within acceptable safety limits. In particular, it was found that moderate material reduction ratios offered a balanced solution between weight savings and structural durability. The findings reveal that topology optimization is an effective design method for developing lightweight, durable, and high-performance suspension components in Formula Student and similar racing cars.

Anahtar Kelimeler

• Topology optimization
• Formula Student
• upright component
• finite element analysis
• Aluminum 7075-T6

Kaynakça

1. Milliken, W. F. and Milliken, D. L. Race Car Vehicle Dynamics. SAE International, Warrendale, PA, 1995.
2. Gillespie, T. D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. SAE International, Warrendale, PA, 1992.
3. Smith, C. Tune to Win. Aero Publishers, California, 1978.
4. Bendsoe, M. P. and Sigmund, O. Topology Optimization: Theory, Methods and Applications. Springer, Berlin, 2003.
5. Baysal, E., Koçar, O., Anaç, N., & Darıcı, F. (2023). Eşit Kanallı Açısal Presleme Yönteminde Kanal Açılarının ve İç Köşe Kavisinin Deformasyona Etkisinin Sonlu Elemanlar Metodu ile İncelenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 38(3), 859-873.
6. Şen, Ş., Yaşar, M., & Koçar, O. (2018). Dorse tasarımında stres dağılım analizi ve topoloji optimizasyonu. Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(1), 309-316.
7. Norton, R. L. Machine Design: An Integrated Approach. Pearson Education, Boston, 2013.
8. Bikas, H., Stavridis, J., Stavropoulos, P. and Chryssolouris, G. ‘Design and Topology Optimization for Additively Manufactured Structural Parts: A Formula Student Case Study’, 6th BETA CAE International Conference, 2017.

9. Vasiloglou, P. Design with Topology Optimization for Additive Manufacturing of a Racing Car Component. Diploma Thesis, National Technical University of Athens, Greece, 2024.
10. Hunar, M., Jancar, L., Krzikalla, D., Kaprinay, D. and Srnicek, D. ‘Comprehensive View on Racing Car Upright Design and Manufacturing’, Symmetry, 12, p. 1020, 2020.
11. Zach, T.-F. and Dudescu, M.-C. ‘The Topological Optimization and the Design for Additive Manufacturing of a Steering Knuckle for Formula SAE Electric Vehicle’, MATEC Web of Conferences, 343, p. 04011, 2021.
12. Hidayatullah, R. A., Nugroho, S. A. and Shiddieqy, R. H. A. ‘Comparative Finite Element Analysis of Al 7075-T6 and Al 2024-T4 for the Upright Component of a Racing Car’, G-Tech: Jurnal Teknologi Terapan, 9(4), p. 2163–2174, 2025.
13. Prabowo, F. B. H., Ash-Shiddieqy, R. H., Winarto, Husodo, N., Mursid, M. and Saputro, B. A. ‘Optimation Front Upright Racing Car Using Finite Element Analysis’, IPTEK The Journal of Engineering, 8(1), p. 31–36, 2022. doi:10.12962/j23378557.v8i1.a10979.
14. Samin, S. A. N., Hossen, S., Rahman, K. M. M. and Gosh, U. ‘Lightweighting of a Vehicle Steering Uprights via Structural-Based Design and FEA Analysis’, Engineering Perspective, 4(4), p. 157–170, 2024.
15. Sandalcılar, H., Çağırankaya, F., Arslanoğlu, M. and Dikici, B. ‘Structural Optimization of a Formula Student Upright Using the BESO Method: Enhancing Performance Through Lightweight Design’, International Journal of Automotive Science and Technology, 9(4), p. 536–546, 2025.
16. Li, J., Tan, J. and Dong, J. ‘Lightweight Design of Front Suspension Upright of Electric Formula Car Based on Topology Optimization Method’, World Electric Vehicle Journal, 11(1), p. 15, 2020.
17. Rosado-Tamariz, E., Davila-De-La-Peña, R., Campos-Amezcua, R., García-Beltrán, C. D., Campos-Amezcua, A. and Colín-Castillo, J. Y. ‘A Multi-Stage Topology Optimization Approach for Lightweight Automotive Upright Design’, Applied Sciences, 16, p. 4257, 2026.
18. Babu, T. N., Nair, R. S., Bhadade, R., Garg, R., Rathod, A., Chandel, A. S. and Prabha, D. R. ‘Simulation and Analysis of an FSAE Wheel Upright Using Finite Element Methods’, Journal of Pharmaceutical Negative Results, 13(Special Issue 10), p. 1241–1257, 2022.
19. Wikarta, A., Kaelani, Y., Taruna, F. A., Arveliko Indwindra, B. H. and Trengginas, L. A. ‘Fatigue Life and Topology Optimization of Racing Car Upright for Formula SAE Electric’, Automotive Experiences, 7(2), p. 333–342, 2024.
20. Kiss, M. P. and Molnár, I. ‘Rear Upright Developed for a Formula Student Racing Car’, Mérnöki Szimpózium a Bánkiban (ESB 2023), Budapest, Hungary, 2023.
21. Pastorino, R. Design of the Upright Assembly of a Formula Student Prototype. Master’s Thesis, Politecnico di Torino, Italy, 2023.
22. Mittal, A., Faraz, M. and Kashif. Study of Vehicle Dynamics of a Formula Student Car. Department of Mechanical Engineering, Aligarh Muslim University, India, 2016.
23. Davis, J. R. Aluminum and Aluminum Alloys. ASM International, Materials Park, OH, 1993.
24. ASM Handbook. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. ASM International, Materials Park, OH, 1990.
25. Rozvany, G. I. N. ‘A Critical Review of Established Methods of Structural Topology Optimization’, Structural and Multidisciplinary Optimization, 37(3), p. 217–237, 2009. doi:10.1007/s00158-007-0217-0.
26. Oğuz Koçar, Nergizhan Anaç, Mehmet Şükrü Adin, Emre Can Çavuş, İrfan Akgül, Friction stir welding of dissimilar aluminum materials and investigation of surface quality, Materials Today Communications, Volume 51, 2026, 114739, ISSN 2352-4928.
27. You, Y. H., Kou, X. Y., & Tan, S. T. (2015). Adaptive meshing for finite element analysis of heterogeneous materials. Computer-Aided Design, 62, 176-189.