İNNOVATİF ENDÜSTRİYEL TASARIMLARDA BİLGİSAYAR DESTEKLİ OPTİMİZASYON YÖNTEMLERİ

İNNOVATİF ENDÜSTRİYEL TASARIMLARDA

BİLGİSAYAR DESTEKLİOPTİMİZASYON YÖNTEMLERİ

Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN

Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

2

İnnovatif endüstriyel tasarımlarda;

Gerekli işletme ömründen, dayanımından, emniyetinden ve güvenirlikten ödün vermeden, gereğinden fazla madde (malzeme), güç (enerji) ve zaman (işçilik) kaçınmak, olmasa olmazlardandır. Daha mükemmel, yüksek ve çoklu getirisi bulunabilen farklı ve veya yeni endüstriyel tasarımlar, yaratıcılığın ve mesleki bilgilerin yanında günün teknolojisinin ve araç gereçlerin kullanımı ile ortaya çıkarlar.


3

Günümüzün endüstriyel tasarımcıları,

Amaca uygun hazır paket programlarını kullanarak fikir ve hayallerini farklı işletme koşulları, kullanım alanları altında bilgisayar ekranında sanal olarak görüntüleme, deneme, test etme ve akabinde daha da geliştirme imkânına sahiptirler. Bilgisayar destekli bu süreçten, endüstriyel tasarımcılar iyileştirme ve yeni tasarımlar için bazı ip uçları, spontane fikirler elde etme olanağına sahiptirler.


4

İnnovatif endüstriyel tasarımlar ve bilgisayar destekli optimizasyon yöntemleri, (Boyut, Form, topoloji ve topografi optimizasyonu) hakkında uygulamalı örneklerle bu sunumda bilgi verilmektedir.Özellikle son yıllarda endüstriyel tasarımda yoğun olarak uygulanan topolojik optimizasyonun önemi ve gelişme potansiyeli tartışmaya sunulmaktadır. Bu çalışmada, innovatif endüstriyel tasarımında optimizasyon konusuna dikkat çekilmektedir.


5

Bir otomotiv parçasının optimizasyon evrimi


6

Bir otomobil gövdesinin optimizaston aşamaları.


7

Innovatif Endüstriyel Tasarımda Optimizasyon- Boyutlandırma Optimizasyonu, (Sizing Optimization)- Şekillendirme Optimizasyonu, (Form Optimization, Shape Optimization)- Çökertme-Kabartma Optimizasyonu, (Topography Optimization- Topoloji Optimizasyonu, (Topology Optimization)


8

Innovatif Endüstriyel Tasarımda Optimizasyon- Boyutlandırma Optimizasyonu, (Sizing Optimization)- Şekillendirme Optimizasyonu, (Form Optimization, Shape Optimization)- Çökertme-Kabartma Optimizasyonu, (Topography Optimization- Topoloji Optimizasyonu, (Topology Optimization)


9

Topoloji Optimizasyonu, (Topology Optimization)

Üç boyutlu endüstriyel tasarımların geometrik şekilleri ve boyutları, karmaşık matematiksel denklemler ile tanımlanmaktadır. Kuvvet etkisindeki davranışları ise genelde non lineer matris, diferansiyel denklemler, işletme koşulları ve sınır değerleri dikkate alınarak ve bazı varsayımlarla sonlu elemanlar hesap yöntemleri ile çözülmektedirler.


10

Topoloji Optimizasyonu, (Topology Optimization) üç boyutlu ortamda herhangi bir endüstriyel tasarımı oluşturan malzemenin yada malzemelerin en uygun dağılımını sağlayan bir optimizasyon yöntemidir. Dış zorlamaların etkisiyle gerilmelerin yoğun olduğu kritik bölgelere malzemeyi gerilim azaltıcı, dağıtıcı olarak ölçülü yığmak, ve veya E-Modülü yüksek malzemeleri yaymak, gerilmelerin az olduğu yerlerden ise malzemeyi eksiltmek ya da E-Modül, yada yoğunluğu düşük malzemeler kullanmak esasına dayanmaktadır. Topoloji optimizasyon yönteminde üç boyutlu malzeme dağılımı ile dayanım, rijitlik gibi işletme özelliklerden ödün vermeden daha hafif, albenili, karlı endüstriyel tasarımların elde edilmesi hedeflenmektedir.


11

Topoloji Optimizasyonunda yakalanmak istenen kriterler

Minimum Maksimum

Dayanım İsletme ömrü

Gerilme Rijitlik

Ağırlık, Hacim Frekans

Şekil değiştirme enerjisi

Havalandırma, soğutma


12

Endüstriyel tasarımda optimizasyon hesaplarının hedefi aşağıdaki gibi sıralanabilir ;

Gerilme yığılmalarını gidermek Rijitligi artırmak Ağırlığı düşürmek Şekil değiştirme enerjisini azaltmak Hacmi küçültmek Dayanımı istenen seviyede tutmak İşletme ömrünü artırmak Frekansı değiştirmek İmalata uygunluk


13

Bilgisayar Destekli Topoloji Optimizasyonunda;

Topoloji optimizasyonda üç boyutlu endüstriyel tasarımın şekli kompleks matematiksel denklemlerle tanımlanmaktadır. Maksimum ya da minimum hedeflenen değerlere göre bu denklemin iterasyon sayısına göre üç boyutlu şekilsel çözümler elde edilmektedir. Nümerik çözüm yöntemlerinde program; zorlanmaların yüksek olduğu toposlara, yani yerlere malzeme yığmakta, veya E-Modülü, yoğunluğu yüksek olan malzeme değerlerini sanal olarak seçmektedir. Buna karşın gerilmelerin az ya da hiç olmayan yerlerden sanal olarak malzeme eksiltmektedir. Buradaki gerilme boşlukları E-modülü ya da yoğunluğu çok düşük olan poröz malzeme değerleri, program tarafından sanal olarak seçilmektedir.


14

Sonlu elemanlar metodu kullanılarak elde edilen verilerle, bir endüstriyeltasarım yapısının optimizasyon aşamaları.


15


16


17

Topoloji optimizasyonunda literatürde farklı alt gruplar bulunmaktadır,bunlar:

- Matematiksel topoloji optimizasyon,- Empirik topoloji optimizasyon,- Dinamik topoloji optimizasyon,- Materyal topoloji optimizasyon,- Geometrik optimizasyon.

Olarak özetlenebilmekle birlikte daha da genişletilebilir.


18

BİLGİSAYAR PROGRAMLARI

Günümüzde topoloji optimizasyon yöntemi ile ilgili çok sayıda hazır paket programları bulunmaktadır. Bunların kullanımı basitleştirilmiş, kolaylaştırılmıştır,kabul edilebilir, gerçeğe daha yakin sonuçlar elde edilebilmektedir. Çok sayıdaki optimizasyon hazır paket programlarının genel bir kullanımı söz konusu olmamaktadır. Bazı optimizasyon programları belli endüstriyel tasarımları içinmemnun edici, kullanılabilir sonuçlar verirken başka tasarımlar için kullanılmaz sonuçlar da verebilmektedirler. Bazı mühendislik danışmanlık bürolarının belli tasarımlar, ürünler için geliştirdikleri optimizasyon programlarını piyasada bulmak mümkündür. Yaygın olarak kullanılan programlar:ANSYSNASTRANMATLABCATIAPRO/ENGINEERCREOABAQUSSOLIDWORKSINVENTORörnek verilebilir.


19

Topoloji optimizasyonu ile elde edilen malzeme tasarrufu küçümsenmemelidir.

Elde edilen malzeme tasarrufu endüstriyel tasarımın hacimsel büyüklüğüne,sistemin parça ve eleman sayılarına göre bir kaç gram olabildiği gibi, yüzlercekilogram da olabilmektedir. Bilhassa seri yığınsal parça üretimden elde edilenmalzeme, işlem ve enerji tasarrufu ile işletmenin kazancı ve rekabet şansı artar. Ulaşım vasıtalarında (otomobil, otobüs gibi taşıt karoserlerinde, gemi ve uçak konstrüksiyonlarında) multi optimizasyon yöntemleri, uygun malzeme secimi ve uygun imalat yöntemleri ile elde edilen ağırlık tasarrufu, vasıtanın tipine göre % 40 lara kadar varabilmektedir. Buradaki malzeme tasarrufu tasarımın üretim ve işletmedeki enerji masraflarını da büyük ölçüde azaltmaktadır.

Endüstriyel tasarımların büyüklüklerine ve karmaşıklıklarına göre tasarım için,işletme dayanımı ömür hesapları, malzeme, imalat ve nümerik hesap yöntemleri gibi farklı bilim alanlarının bir kombinasyonu gerekli olmaktadır. Günümüzde endüstriyel bir tasarımın piyasaya efektif bir sürede sunulabilmesi için farklı bilim alanlarının ortak bir ekip çalışması söz konusu olmaktadır. Örneğin, uluslararası bir proje dahilinde sürdürülen ARGE çalışmalarında yeni tip otomobil karoserlerinde rijitlik artışı yanında ağırlıktan %30 kadar tasarruf edilebilmiştir.


20

Yükler ve kısıtlamalar

Optimizasyon aşamaları


21

İnitial design

TRANSVERSE LINK

Design proposal after topology optimization

SONUÇ%12 ağırlıktan tasarruf, % 60dayanım ve % 16 rijitlik artışı

Final design


22


23


24


25


26


27


28


29

Konvansiyonel ve optimum tasarım prosesleri

Sınır şartlarını sağlayacak kesin parametrelerin tayin edilmesi durumunda bir problem, bir optimum tasarım problemi olarak ifade edilebilir. Bu sebeple optimizasyon teknikleri oldukça genel ve farklı alanlarda uygulanmaya müsait bir yapı arz etmektedir. Bu tekniklerin uygulanabilirliği ise tasarım mühendislerinin hayal gücü ve yeteneği ile orantılı olmaktadır. Tasarımcının, basit teknikler ve temel prensipleri kullanarak çok sayıda uygulama yapabilmesinin yanı sıra, notasyonlar, terminoloji ve detaylar arasında boğulmadan ilgilendiği alandaki uygulamayı anlayabilmesi gerekmektedir.

Bu nedenlerden dolayı, tasarım faaliyeti bir tasarım prosesi olarak düşünülmelidir.


30

Konvansiyonel tasarım prosesi, Daha çok tasarımcının sezgilerine, tecrübesine ve yeteneğine bağlı kalmaktadır. İnsan faktörünün bir tasarımda bu denli ağırlığının olması bazen kompleks sistemlerin sentezinde hatalı sonuçların ortaya çıkmasına neden olabilmektedir. Şekilde, tasarımcının tecrübe ve sezgileriyle oluşturduğu bir ya da birkaç deneme tasarımının bir araya getirilişini gösteren konvansiyonel tasarıma ait bir akış görülmektedir.


31

Bilgisayar Destekli Tasarım Optimizasyonu (Computer Aided Design Optimization-CADO),

CADO prosesinde, özellikle karmaşık problemlerin çözümünde, sistematik yaklaşımdan dolayı sürekli bir kendini kontrol ve tasarım değişkenlerinin bir birleri ile uyum içinde eş zamanlı olarak incelenebilmesi mümkündür. Bu problemlerde bilgisayar kullanımı yoğun bir biçimdedir ve bu da, proses zamanını oldukça kısaltır ve çözüm hassasiyetini de aynı ölçüde artırır.


32

Tasarım faaliyetinin farklı aşamalarında hem klasik, hem de optimum tasarım prosesleri kullanılabilir. Klasik tasarım prosesinin burada avantajı, tasarımcının tecrübe ve sezgilerini kullanarak klasik bazında önemli değişikliklere gidebilmesi ve tasarım aşamalarına bazı ilave koşullar ekleyebilmesi serbestliğidir. Fakat detaylı tasarım aşamasına gelindiğinde klasik tasarım prosesinin bazı dezavantajları ve zorlukları ortaya çıkmaktadır. Bu zorluklar genellikle karmaşık sınır koşullarından kaynaklanır. Bu aşamada tasarımcı sınır koşullarını artırmak ya da azaltmak veya bunların hangilerinin değiştirilmesi gerektiği gibi konularda karar vermekte zorlanabilir. Bundan başka, klasik tasarım prosesi ekonomik olmayan tasarım çözümlerine yönelebilir ve proses zamanını belirlenen takvim dışına çıkararak uzatabilir. Optimum tasarım prosesi ise tasarımcıya dizayn değişkenlerinin uygun maliyet ve sınır koşulları fonksiyonlarının belirlenmesinde güç kazandırmaktadır. Mühendislik sistemlerinin bilgisayar kullanmak suretiyle daha hassas ve doğru bir şekilde ve daha kısa zamanda analiz edilebilmesi imkanı, tasarımın daha doğru ve verimli olmasını sağlamaktadır.


33

Bir optimizasyon çalışması, bir ya da daha fazla parametrenin belirlenen bir amacı ya da bir tasarımın makuliyetini sağlayan en iyi değerini tespit etmek için yapılır. Amaç ve limitler çok çeşitli olabilir. Fakat optimizasyonda aynı süreçte yalnız bir amaç ya da limit güdülebilir. Creo/Simulate yazılımı, optimizasyonu modele ait tasarım parametrelerini belirlenen amaca ya da limite yeteri kadar yaklaştırmak için her seferinde daha yakın bir sonuç elde edilen bir iterasyon hesabı şeklinde ele alır. Bazen bir amaç belirlenmez; bu durumda çalışma fizibilite analizi olarak adlandırılır. Optimizasyonda belirlenen amaç, minimize ya da maksimize edilebilir. Örneğin modelde oluşan gerilmeler minimize edilebilir. Bir amaç tanımlanırken programda başka farklı analizlere bağlı bir nicelik seçilmelidir. Örneğin, modelin tasarım parametrelerinin optimizasyonunda daha önce aynı model üzerinde yapılmış statik gerilme analizi, gerilme minimizasyonu için kullanılabilir. Herhangi bir analiz tanımlanmadığı sürece bununla ilgili bir nicelik seçilemez. Amaç tanımı yapmak şart değildir fakat bu durumda da bir limit belirlenmelidir. Amaç tanımlanmadığı durumda program, belirlenen bir limite ulaşacak en makul tasarımı araştırır.

İNNOVATİF ENDÜSTRİYEL TASARIMLARDA BİLGİSAYAR DESTEKLİ OPTİMİZASYON YÖNTEMLERİ

Documents

Transcript of İNNOVATİF ENDÜSTRİYEL TASARIMLARDA BİLGİSAYAR DESTEKLİ OPTİMİZASYON YÖNTEMLERİ