Mekanik Performans ve Hafiflik için Kiral Kafes Yapıların Optimizasyonu

Öz

Bu çalışma kapsamında kübik geometriye haiz kiral bir kafes yapı tasarlanmıştır. Söz konusu yapıda, kiriş elemanların ayrıt kesitleri dairesel biçimdedir. Yapının imalâtında yapı malzemesi olarak polietilen tercih edilmiştir. İnşa olunan yapının bir ucu ankastre mesnet ile tespit edilmiş, diğer serbest ucu ise eksenel doğrultuda yer değiştirmeye mâruz bırakılmıştır. Yapısal cevabın hesaplanması için sonlu eleman metoduna dayalı sayısal bir simülasyon icra edilmiştir. Bu simülasyon neticesinde; gerilme dağılımı, yanal deformasyon miktarları, Poisson oranları ve iç enerji sonuçları elde edilmiştir. Elde edilen bu parametrik veriler, genetik algoritmaya istinaden yürütülen bir optimizasyon işlemine tâbi tutulmuştur. Bu kapsamda, asgari boyutlara haiz olan yapı vasıtasıyla azamî mekanik mukavemetin temin edilmesi amaçlanmıştır. Hafif yapıların, hem üretim safahatı hem de malzeme tüketimi cihetinden ekonomik üstünlük arz ettiği dikkate alınarak, en uygun geometrik boyut tespit edilmiştir. İlâveten, incelenen parametreler arasındaki ilişkileri veren bir cevap fonksiyonu teşkil edilmiştir. Yapının optimum kesit çapı ϕ1,2 mm olarak tayin olunmuştur ve bu yapı, 5,83 mm’lik eksenel yer değiştirmeye mukavemet göstermektedir. En yüksek 6,66 MPa mertebesinde gerilme meydana gelmiş olup bu değer malzemenin akma dayanımından düşüktür. Optimum tasarım neticesinde elde edilen yapının toplam kütlesi 49,28 gram olarak belirlenmiştir. Tasarımı icra olunan kafes yapı negatif Poisson oranına sahiptir. Mezkûr yapı, ökzetik karakteristikler arz etmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Sonlu elaman simülasyonu
• Polietilen
• 3B kiral ökzetik kafes
• optimizasyon.

Optimization of Chiral Lattice Structure for Mechanical Performance and Lightweight

Öz

In the present study, a chiral lattice structure possessing a cubic configuration has been designed. The edge sections of the beam elements within this structure have been configured in a circular geometry. Polyethylene has been preferred as the material for the fabrication of the structure. One end of the structure has been fixed via a cantilever support, while the free end has been subjected to axial displacement. In order to examine the structural response, a simulation based on the finite element method has been conducted. As a result of this simulation, distributions of stress, lateral deformations, Poisson's ratios, and internal energy values have been obtained. These parametric data have been subjected to an optimization process grounded in genetic algorithm methodology. Within this framework, it has been aimed to ensure maximum mechanical strength for a structure with minimal dimensions. Considering that lightweight structures offer economic advantages in terms of both production stages and material consumption, the most appropriate geometric dimension has been determined. Moreover, a response function that defines the relationships among the analysed parameters has been constructed. The optimum cross-sectional diameter of the structure has been determined as 1.2 mm, and the structure has exhibited resistance to 5.83 mm of axial displacement. A maximum stress of 6.66 MPa has been observed, which remains below the yield strength of the material. The total mass of the structure obtained through optimal design has been determined as 49.28 grams. The designed lattice structure possesses a negative Poisson’s ratio. The structure exhibits auxetic characteristics.

Anahtar Kelimeler

• Finite element simulations
• Polietilen
• 3D chiral auxetic lattice
• optimization

Kaynakça

1. [1] Gülcan, O. "Eklemeli imalatla üretilen kafes yapıların mekanik özellikleri". Makina Tasarım ve İmalat Dergisi, 19(1), 17-34, (2021).
2. [2] Gülcan, O., Şimşek, U., Özdemir, M., Günaydın, K., Tekoğlu, E. "Üretim parametrelerinin, lazer toz yatağı füzyon yöntemi ile üretilen kafes yapıların çarpılma, boyutsal değişim ve yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkisi". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 39(1), 101-112, (2024).
3. [3] Erdoğan, İ., Toktaş, İ. "geometri iç kalınlığının yeni tasarlanan ökzetik yapı üzerine etkisinin araştırılması". Politeknik Dergisi, 26(2), 901-912, (2023).
4. [4] Şahin, İ., Top, N., Gökçe, H. "Fonksiyonel olarak derecelendirilmiş ökzetik kafes yapıların tasarımı, 3b baskısı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi". Gazi Üniversitesi Araştırma Projesi, (2023).
5. [5] Baran, E. "Hafif çelik binalarda kullanılan kafes kirişli döşeme sisteminin incelenmesi". Orta Doğu Teknik Üniversitesi, (2016).
6. [6] Zhang, X. Z., Leary, M., Tang, H. P., Song, T., Qian, M. "Selective electron beam manufactured Ti-6Al-4V lattice structures for orthopedic implant applications: Current status and outstanding challenges". Current Opinion in Solid State and Material Science, 22(3), 75-99, (2018).
7. [7] Rosa, F., Manzoni, S., & Casati, R. "Damping behavior of 316L lattice structures produced by Selective Laser Melting", Materials & Design, 160(15), 1010-1018, (2018).
8. [8] Korkmaz C, Kacar İ. "Hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları için optimum eleman ağ yapısının belirlenmesi", 7 January 2022, Editör: Deniz Yılmaz; Osman Gökdoğan; Önder Uysal; Mehmet Emin Gökduman; Ahmet Süslü, Tarımsal Mekanizasyon ve Enerji Üzerine Güncel Araştırmalar. ISBN: 978-625-8037-52-4, (2022).

9. [9] Yılmaz, C., Kacar, İ. "Farklı en/boy oranına sahip dörtgensel kesitli bir kiral ökzetik hücresel yapının tasarım ve optimizasyonu". Adıyaman Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 11(23), 265-282. https://doi.org/10.54365/adyumbd.1440934 (2024).
10. [10] Bostancıoğlu, Y., Kacar, İ. "Bir kiral kafes yapının tasarım ve optimizasyonu". International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, 8(2), 202-213, (2024).
11. [11] Söke, A. Bingül, Z. "Genetik algoritmaların farklı çaprazlama teknikleriyle iki boyutlu kesme problemlerine uygulanışı". Politeknik Dergisi, 7(1), 1-11, (2004).
12. [12] Ergene, B. Yalçın, B. "Çatlağın re-entrant ve balpeteği yapıların mekanik davranışlarına etkisinin sonlu eleman analizi". Politeknik Dergisi, 23(4), 1015-1025, (2020).
13. [13] Yumuşak, S. Layazalı, S. Öztoprak, K. Hassanpour, R. "Hiperküp tabanlı konu dağıtım ağlarında yeni bir katman tasarım algoritması". Politeknik Dergisi, 25(4), 1535-1552, (2022).
14. [14] Taşkesiği, S. Güray, E. "Düzlemsel kafes tipi köprülerin gradyan düşüş yöntemiyle şekil ve boyut optimizasyonu". Politeknik Dergisi, 26(1), 293-301, (2023).
15. [15] Balta, S. Özbaşaran, H. "Kafes sistemlerin imalat kısıtları altında bilgisayar ile otomatik tasarımı. Politeknik Dergisi, 27(5), 1697-1707, (2024).
16. [16] Erdoğuş, H. "Negatif Poisson oranındaki stent tasarımının üç katmanlı arter ve asimetrik plak yapısına göre sanki-statik analizi". Politeknik Dergisi, 27(5), 1673-1680, (2024).
17. [17] Demir, H. Kaya, N. "Bir hava aracının çok amaçlı kanat kiriş kesit optimizasyonu". Politeknik Dergisi, Erken Görünüm, (2024).
18. [18] Keleşoğlu, Ö. Ülker, M. "Çok amaçlı bulanık optimizasyon tekniği ile düzlem kafes sistemlerin boyutlandırılması". Politeknik Dergisi, 6(2), 505-511, (2003).
19. [19] 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, 15(1), 97-102, (2022).
20. [20] Fernandes RR, Tamijani AY. "Design optimization of lattice structures with stress constraints". Materials and Design. 210(110026), (2021).
21. [21] Gibson, L. J., Ashby, M. F. "Cellular solids: Structure and properties" (2nd ed.). Cambridge University Press, (1997).
22. [22] Wang, C., Zhang, X., Zhang, Y. "Additive manufacturing of cellular Materials: Design, simulation, and experimentation". Materials & Design, 192(108675), (2020).
23. [23] Zhang, X. Z., Leary, M., Tang, H. P., Song, T., & Qian, M. "Selective electron beam manufactured Ti-6Al-4V lattice structures for orthopedic implant applications: Current status and outstanding challenges". Current Opinion in Solid State and Materials Science, 22(3), 75-99, (2018).