Kafes sistemlerin optimizasyonunda k-ortalama algoritması ile otomatik eleman gruplama
Automatic member grouping in optimization of truss systems with k-means algorithm
Yazar: CEREN PAZI
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN ÖZBAŞARAN ; PROF. DR. YUSUF CENGİZ TOKLU
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kafes sistemler = Truss systems ; Kümeleme = Clustering ; Metasezgisel algoritmalar = Metaheuristic algorithms ; Yapısal optimizasyon = Structural optimizasyon

Özet:
Yapısal optimizasyonun temel konusu, mümkün olan en az yapı malzemesi ile istenen yükleri taşıyabilen bir sistem belirlemektir. Kafes sistemlerde optimizasyon türleri topoloji, şekil ve boyut optimizasyonudur. Topoloji optimizasyonu kafes yapıya çubuk elemanlar ya da düğümler ekleyerek/çıkararak optimal konfigürasyonu bulmayı hedefler. Şekil optimizasyonu kafes sistemin optimal şeklini elde etmeyi amaçlar. Boyut optimizasyonunda amaç, çubuk elemanların optimum kesit alanlarına ulaşmaktır. Bu üç optimizasyon türü, mümkün olan en iyi (optimal) kafes sistem tasarımını bulmak için eşzamanlı olarak uygulanabilmektedir. Gerçek dünya kafes sistem optimizasyon problemlerinde hem imalat kısıtları hem de yapım kısıtları hesaba katılmalıdır. Karmaşık kafes yapı tasarımlarında elemanların sayısı genellikle fazladır. Makul sayıda kesit tipi kullanılacak şekilde elemanları gruplandırmak gerekir ve bu en önemli imalat kısıtlarından biridir. Farklı kesitlerin sayısı arttıkça bir tasarımın üretilmesi, işçilik ve satın alma zorlukları nedeniyle neredeyse imkânsız hale gelir. Bu kısıtın sağlanması için çubuk elemanlar gruplandırılır. Gruplanan elemanlar için seçilen kesit tipi aynıdır. Ancak burada bir elemanın hangi gruba atanacağına karar verilmesi gerekmektedir. Bu karar özellikle karmaşık tasarımlar için ekonomik olmayan çözümlere yol açabilmektedir. Öte yandan, eleman gruplamanın optimizasyon sürecine genel geçer yöntemler ile dahil edilmesi hesaplama yükünü artırmaktadır. Bu çalışmada, eleman gruplama problemine çözüm olarak sunulan bir yöntem, popüler kafes sistem optimizasyon problemleri (117 çubuklu uzay kafes, 72 çubuklu uzay kafes, 25 çubuklu uzay kafes ve 10 çubuklu düzlem kafes) üzerinde test edilmiş ve analiz sonuçları sunulmuştur.

Abstract:
The main subject of structural optimization is to determine an optimal system that can carry the given loads with the minimum possible structural material. Optimization types in truss systems are topology, shape, and size optimization. Topology optimization aims to find the optimal configuration by adding/removing bar elements to the truss system. Shape optimization aims to obtain the optimal shape of the truss system. In size optimization, the main idea is to reach the optimal cross-sectional areas of the bar elements. These three optimization types can be applied simultaneously to find the best (optimal) possible truss design. In real-world truss system optimization problems, both manufacturing and structural constraints must be considered. Since there can be too many members, it is necessary to group the elements so that a reasonable number of section types are used; and this is one of the most important manufacturing constraints. As the number of different sections increases, the design becomes nearly impossible to build due to labor and purchasing difficulties. To satisfy this constraint, the bar elements should be grouped. The cross-section type selected for the grouped bar elements is the same. However, it is necessary to decide which group a member will be assigned to. This decision can lead to non-economic solutions, especially for complex truss designs. On the other hand, the inclusion of element grouping in the optimization process with common methods increases the computational effort. This study tested a method presented as a solution to the element grouping problem on popular truss optimization problems (117 bar space truss, 72 bar space truss, 25 bar space truss, and 10 bar planar truss) and analysis results presented.