Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi

Bu çalışmada, kafes yapıların optimizasyon ile tasarımı sürecinde, geometriye ve eklemeli imalattan gelen kısıtlamalara bağlı olarak kafes hücre boyutlarının alabileceği üst ve alt kısıtlar ile optimizasyondaki tasarım değişkenleri olan çubuk eleman çaplarının üst ve alt limitlerinin belirlenmesi için doğrudan kullanılabilecek bir tasarım yöntemi önerilmiştir. Bu önerilen yöntem, özel olarak basit kafes, basit yüzey merkezli kafes ve basit hacim merkezli kafes olarak adlandırılan üç kafes hücre türü için detaylandırılmıştır. Belirlenen hücre boyutları ile belirlenen hedef ve kısıtlara bağlı olarak tasarımın etkin bir şekilde gerçekleştirilmesi için, topoloji ve boyut optimizasyonlarını beraber kullanılarak en iyi tasarımı verecek bir kafes yapı optimizasyonu süreci önerilmiştir. Optimizasyon süreçlerinin ihtiyaç duyduğu yüksek hesaplama maliyetini en aza indirgeyebilmek için hesaplama maliyeti düşük ama optimum sonuca hızlı bir şekilde ulaşabilen verimli bir optimizasyon algoritması olan Optimallik Kriterleri metodu ile bir optimizasyon süreci geliştirilmiştir. Önerilen tasarım optimizasyon süreci, literatürdeki iki İHA kolu tasarımı örneğine uygulanmıştır. Son tasarımlar için karşılaştırılan sonuçlara göre, önerilen tasarım süreci sayesinde belirlenen hedefler için daha iyi performansa sahip tasarımlar elde edilebileceği gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Kafes yapı, Tasarım, Yapısal optimizasyon, Eklemeli imalat

PDF

___

1. Gibson L.J. ve Ashby M.F., Cellular Solids: Structure and Properties, 2d ed, Cambridge, 1997.
2. Evans A.G., Hutchinson J.W., Fleck N.A., Ashby M.F., Wadley H.N.G., The topological design of multifunctional cellular metals, Progress in Material Science, 46 (3-4), 309–327, 2001.
3. Deshpande V.S., Fleck N.A., Collapse of truss core sandwich beams in 3-point bending, International Journal of Solids and Structures, 38 (36-37), 6275–6305, 2001.
4. McKown S., Shen Y., Brookes W.K., Sutcliffe C.J., Cantwell W.J., Langdon G.S., Nurick G.N., Theobald M.D., The quasi-static and blast loading response of lattice structures, International Journal of Impact Engineering, 35(8), 795–810, 2008.
5. Rosen D.W., Computer-Aided Design for Additive Manufacturing of Cellular Structures, Computer Aided Design and Applications, 4 (5), 585–594, 2007.
6. Gorguluarslan R.M., Park S.-I., Rosen D.W., Choi S.-K., A multilevel upscaling method for material characterization of additively manufactured part under uncertainties, Journal of Mechanical Design, 137(11), 111408, 2015.
7. Schaedler T.A., Carter W.B., Architected cellular materials, Annual Review of Materials Research, 46, 187–210, 2016.
8. Gorguluarslan R.M., Choi S.K., Saldana C.J., Uncertainty quantification and validation of 3D lattice scaffolds for computer-aided biomedical applications, Journal of Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 71, 428–440, 2017.
9. Zok F.W., Latture R.M., Begley M.R., Periodic truss structures, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 96, 184–203, 2016.
10. Liu J., Gaynor A.T., Chen S., Kang Z., Suresh K., Takezawa A., Li L., Kato J., Tang J., Wang C.C.L., Cheng, L., Current and future trends in topology optimization for additive manufacturing. Structural and Multidisciplinary Optimization, 57(6), 2457–2483, 2018.
11. Gorguluarslan R.M., Gandhi U.N., Mandapati R., Choi S.K., Design and fabrication of periodic lattice-based cellular structures, Computer Aided Design and Applications, 13(1), 50–62, 2016.
12. Tang Y., Kurtz A., Zhao Y.F., Bidirectional Evolutionary Structural Optimization (BESO) based design method for lattice structure to be fabricated by additive manufacturing, Computer-Aided Design, 69, 91-101, 2015.
13. Alzahrani, M., Choi S.K., Rosen D.W., Design of truss-like cellular structures using relative density mapping method. Materials and Design, 85, 349–360, 2015.
14. Gorguluarslan R.M., Gandhi U.N., Song Y., Choi S.-K., An improved lattice structure design optimization framework considering additive manufacturing constraints, Rapid Prototyping Journal, 23, 305–319, 2017.
15. Daynes S., Feih S., Lu W.F., Wei J., Optimisation of functionally graded lattice structures using isostatic lines, Materials & Design, 127, 215–223, 2017.
16. Panesar A., Abdi M., Hickman D., Ashcroft I., Strategies for functionally graded lattice structures derived using topology optimisation for additive manufacturing. Additive Manufacturing, 19, 81-94, 2018.
18. Wu J., Wang C.C., Zhang X., Westermann R., Self-supporting rhombic infill structures for additive manufacturing. Computer-Aided Design, 80, 32-42, 2016.
17. Li D., Dai N., Tang Y., Dong G., Zhao Y.F., Design and optimization of graded cellular structures with triply periodic level surface-based topological shapes, Journal of Mechanical Design, 141(7), 071402-1, 2019.
18. Tang Y., Dong G., Zhou Q., Zhao Y.F., Lattice structure design and optimization with additive manufacturing constraints. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 15(4), 1546–1562, 2017.
19. Li D., Liao W., Dai N., Dong G., Tang Y., Xie Y.M., Optimal design and modeling of gyroid-based functionally graded cellular structures for additive manufacturing, Computer Aided Design, 104, 87–99, 2018.
20. Gorguluarslan R.M., Aksoy S.T., Turnacilar T., Köksal A.F., Design of a quadcopter arm for additive manufacturing using optimization and lattice structures, The 18th International Conference on Machine Design and Production, Eskişehir-Türkiye, 261–275, 3-6 Temmuz 2018.
21. Anudeep M. Diwakar G. Katukam R., Design of a quad copter and fabrication. International Journal of Innovations in Engineering and Technology, 4, 59–65, 2014.
22. Zhang Q., Chen J., Yang L., Dong W., Sheng X., Zhu X., Structure optimization and implementation of a lightweight sandwiched quadcopter, International Conference on Intelligent Robotics and Applications, Portsmouth-UK, 220–229, 2015. 23. Michell A.G.M., The limits of economy of material in frame-structures, The London, Edinburgh, Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 8(47), 589–597, 1904.
24. Dorn W.S., Gomory R., Greenberg H., Automatic design of optimal structures. Journal de mecanique, 3(6), 25-52, 1964. 25. Rozvany G.I.N., Bendsøe M.P., Kirsch U., Layout optimization of structures, Applied Mechanics and Reviews, 48(2), 41-119, 1995.
26. Richardson J.N., Adriaenssens S., Bouillard P., Coelho R.F., Multiobjective topology optimization of truss structures with kinematic stability repair, Structural and Multidisciplinary Optimization, 46(4), 513-532, 2012.
27. Kattan P.I., MATLAB guide to finite elements: An interactive approach, Springer-Verlag, New York, NY, A.B.D., 2008.
28. Gilbert M., Tyas A., Layout optimization of large-scale pin-jointed frames. Engineering Computations, 20 (7-8), 1044-1064, 2003.
29. Wallach J.C., Gibson L.J., Mechanical behavior of a three-dimensional truss material., International Journal of Solids and Structures, 38 (40-41), 7181–7196, 2001.
30. Deshpande V.S., Fleck N.A., Ashby M.F., Effective properties of the octet-truss lattice material. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 49 (8), 1747–1769, 2001.
31. Chiras S., Mumm D.R., Evans A.G., Wicks N., Hutchinson J.W., Dharmasena K., Wadley H.N.G., Fichter S., The structural performance of near-optimized truss core panels. International Journal of Solids and Structures, 39 (15), 4093–4115, 2002.
32. Venkayya V.B., Optimality criteria: A basis for multidisciplinary design optimization, Computational Mechanics, 5(1), 1–21, 1989.
33. Khot N.S., Berke L., Venkayya V.B., Comparison of optimality criteria algorithms for minimum weight design of structures., AIAA Journal, 17 (2) 182–190, 1979.
34. Stankovic T., Mueller J., Egan P., Shea K., A generalized optimality criteria method for optimization of additively manufactured multimaterial lattice structures. Journal o Mechanical Design, 137 (11), 111405, 2015.
35. Bendsøe M.P., Sigmund O., Topology Optimization, Theory, Methods and Applications, Springer-Verlag, Berlin, 2003.