Mekanik sistemlerde yapısal analiz ve optimizasyon teknikleri ile ağırlık azaltılması

Abstract

Mekanik sistemlerde ağırlığın azaltılması, çeşitli endüstrilerde tasarımcılar için ortak bir hedeftir, çünkü bu, geliştirilmiş performansa, artan verimliliğe ve maliyet tasarrufuna yol açar. Ağırlığı azaltma konusunda kabul edilebilir mekanik özellikleri korumak için tasarım sürecinde optimizasyon yöntemleri kritik bir rol oynar. Bu tezde, mini Kazıcı yükleyici ekskavatörün arka koluna topoloji ve şekil optimizasyonunu uygulanacak ve aynı zamanda malzeme değişikliği ile ağırlığını minimize etmeyi hedeflemektedir. Bu süreçte, statik koşullarda güvenli durumda kalması için maksimum stres ve deplasmanın belirli sınır değerlerinin altında olması gerekmektedir. İlk aşamada, Solid Works programı kullanılarak detaylı bir kol modeli, dolu malzemeden oluşturularak, kolun üzerindeki kuvvetler statik koşullarda hesaplanmıştır. HyperWorks programı kullanılarak uygun sınır şartları uygulanarak topoloji optimizasyonu gerçekleştirilirmiştir. Bu sayede, yapısal güvenli durumda kalarak belirli şartlara göre uzayda malzeme dağılımı elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlara dayanarak yeni bir model tasarlanmıştır. Daha sonra, şekil optimizasyonu yeni modele uygulanmıştır. Bu aşamada, yapı bütünlüğü, ağırlık azaltma ve performans gereksinimleri gibi faktörler dikkate alınarak, HyperWorks içindeki çeşitli optimizasyon araçları kullanılarak bileşenlerin optimal kalınlıkları ve çapları belirlenir.

Reducing weight in mechanical systems is a common goal for designers across various industries due to its potential for improved performance, increased efficiency, and cost savings. Optimization methods play a critical role in achieving this balance between weight reduction and maintaining acceptable mechanical properties. In this thesis, topology and shape optimization are applied to the back arm of a mini-backhoe excavator with the aim of minimizing its weight. The objective is to ensure the arm remains in a safe state under static conditions, with both maximum stress and displacement kept below predetermined safe limits. The process begins with creating a detailed arm model using the SolidWorks program, without any empty spaces inside. After determining the forces acting on the arm under static conditions and understanding the boundary conditions, topology optimization is executed using the HyperWorks program. This results in a detailed design with optimal material distributions within the space, preserving structural integrity. Based on the outcomes of topology optimization, a new model is designed. Subsequently, the shape optimization process is applied to determine the thickness and diameters for each component in more detail. This stage considers factors such as structural integrity, weight reduction, and performance requirements, achieving the most suitable using various optimization tools within HyperWorks.