Genel kütle azaltımı ve yapısal verı̇mlı̇lı̇k ı̇çı̇n ağaç ı̇şleme makı̇nesı̇ parçalarının topolojı̇ optı̇mı̇zasyonu

Abstract

Bu çalışma, üçlü dairesel testereli bir ağaç işleme makinesinin yedi kritik bileşeninde (testere montaj plakası, giriş/çıkış taban plakaları, motor destek plakaları, makaralı besleme kızağı ve şase grubu) genel kütle azaltımı ve yapısal verimlilik artışı sağlamak amacıyla topoloji, boyut ve şekil optimizasyon tekniklerini entegre şekilde uygulamıştır. Geleneksel tasarımlardaki aşırı malzeme kullanımından kaynaklanan enerji kayıpları, maliyet artışı ve dinamik performans sınırlamalarını çözmek için, SolidWorks ile modellenen bileşenler HyperMesh OptiStruct yazılımında analiz edilmiştir. Statik yapısal analiz, modal analiz ve doğrudan frekans tepkisi simülasyonlarıyla orijinal tasarımların gerilme dağılımı, deformasyon ve titreşim davranışları incelenmiş; topoloji optimizasyonunda SIMP yöntemiyle %40 hacim fraksiyonu sınırı uygulanmış, boyut optimizasyonunda sac kalınlıkları 8-10 mm aralığında optimize edilmiş, şekil optimizasyonunda ise genetik algoritma tabanlı çok amaçlı optimizasyonla geometrik iyileştirmeler yapılmıştır. Sonuç olarak, testere montaj plakasında %58 kütle azaltımı sağlanırken gerilme değerleri ST-37 çeliğinin akma sınırının %80 altında tutulmuş, motor destek plakasında alüminyum kullanımıyla %41 hafifletme ve 71 MPa gerilme seviyesi elde edilmiştir. Makinenin toplam ağırlığı 550 kg'dan 378 kg'a (%31,2) düşürülmüş, yük kapasitesi 1500 kg'dan 1150 kg'a indirilerek enerji tüketiminde %15-20 iyileşme potansiyeli sağlanmıştır. Dinamik performansta, motor destek plakası (76 Hz) ve makaralı besleme kızağı (110 Hz) rezonans riskinden arındırılırken, testere montaj plakası (32,6 Hz) ve taban plakaları (14,6-58,9 Hz) gibi bileşenlerde gözlemlenen operasyonel frekans banttaki (25-50 Hz) riskler, gelecek çalışmalarda lokal sertleştirici ilaveleri ve kalınlık optimizasyonuyla çözülecektir. Üretilebilirlik odaklı kısıtlar endüstriyel uygulanabilirliği doğrulamıştır.

This study implemented integrated topology, size, and shape optimization techniques on seven critical components (saw mounting plate, input/output base plates, motor support plates, roller feed sled, and chassis group) of a triple-circular-saw woodworking machine to achieve mass reduction and enhance structural efficiency. To address energy losses, cost increases, and dynamic performance limitations caused by excessive material use in traditional designs, components modeled in SolidWorks were analyzed using HyperMesh OptiStruct software. Static structural analysis, modal analysis, and direct frequency response simulations evaluated stress distribution, deformation, and vibration behavior of original designs. Topology optimization employed the SIMP method with a 40% volume fraction constraint, size optimization adjusted sheet thicknesses within 8-10 mm, and shape optimization utilized genetic algorithm-based multi-objective optimization for geometric refinements. Results include 58% mass reduction in the saw mounting plate while maintaining stresses below 80% of ST-37 steel's yield limit, 41% light weighting in the motor support plate using aluminum (71 MPa stress), and total machine weight reduction from 550 kg to 378 kg (31.2%) with payload capacity decreased from 1500 kg to 1150 kg, enabling 15-20% energy consumption improvement. Dynamically, the motor support plate (76 Hz) and roller feed sled (110 Hz) were cleared from resonance risk within the operational frequency band (25-50 Hz), while components like the saw plate (32.6 Hz) and base plates (14.6-58.9 Hz) exhibited residual risks requiring future resolution via local stiffeners and thickness optimization. Manufacturing-driven constraints confirmed industrial viability.