Bir yük kancasının topoloji optimizasyon ile tasarım ve analizi
Topology optimization design and analysis of a lifting hook
Yazar: İBRAHİM TALHA TEKE
Danışman: PROF. DR. AHMET HANİFİ ERTAŞ
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tasarım eniyilemesi (optimizasyon), tekrarlı yüklere maruz kalan mekanik bir görev ifa eden parçaların dayanımı ve dolayısıyla ömür artışının sağlanabildiği bir süreçtir. Parçada dayanım artışının yanı sıra ağırlık azaltılması da ana hedeftir. Topoloji eniyilemesi, tasarımda söz konusu parametrelerin (ağırlık ve dayanım) daha iyi kontrol edilebildiği bir yöntemdir. Her gün yenisinin eklendiği topoloji eniyilemesi yöntemleri, tasarım süreçlerini kolaylaştırmakta ve tasarım çeşitliliği sağlamaktadır. 
Bu kapsamda bu tezde yük kancaları ele alınarak statik ve yorulma davranışları incelenmiştir. Başta topoloji eniyilemesi olmak üzere farklı yöntemler kullanılarak yük kancalarının olağan koşullarda dayanımlarının ve yorulma ömürlerinin azamiye çıkarılmasına çalışılmıştır.
İlk olarak, standart bir yük kancasının topoloji eniyilemesi ve yorulma analizi gerçekleştirilmiştir. Bu süreçte yeni modellerin elde edilmesinde, topoloji eniyilemesi yöntemi olan "yoğunluk bazlı metot" (density-based) kullanılmış ve parametrik delik operasyonu gerçekleştirilmiştir. Daha sonra parametrik delik operasyonunu doğrulamak için topoloji etüdü parametreleri değiştirilerek standart kancaya yeniden yoğunluk bazlı metot uygulanmıştır.  Bu çalışmada, ağırlığın azaltılması yanında standart numunenin dayanımının korunması amaç edinilmiştir. Ele alınan DIN15401-2,5 yük kancasının topolojik değerlendirilmesine bağlı olarak elde edilen yeni modeller standart kanca ile kıyaslanmıştır. Sonuçlar tasarımcılara standart numunelerin sahip olduğu dayanıma ek olarak daha hafif bir numune üretme olanağı sağlayacaktır.
İkinci olarak standart bir yük kancasında düşük ağırlık ve yüksek dayanım hedefinin gerçekleştirilmesi için kancaya hücresel iç boşaltma uygulanmıştır. Bu çalışmada gövde merkezli kübik hücreler kullanılmış ve bunlar kancaya statik analiz sonuçları doğrultusunda yerleştirilmiştir. Ortaya çıkan modelde bir miktar dayanım artışıyla birlikte ağırlık da azalmıştır. Yöntemin geliştirilmesi durumunda daha iyi sonuçlar elde edilebileceği öngörülmektedir.
Üçüncü aşamada, ele alınan standart kancanın (DIN15401-2,5) yapısal açıdan performansı daha yüksek bir üst modelinin elde edilmesi için farklı bir yönteme başvurulmuştur. Bu yöntem literatürde "eleman silme metodu" (element removal method) adını almıştır. Bu kapsamda ANSYS paket programının parametrik dili kullanılarak bir bilgisayar kodu geliştirilmiştir. Sonlu elemanlar modeli üzerinde değişiklik yapılan bu yöntemde bir parametreye bağlı olarak elemanların silinmesiyle yeni modeller üretilmiştir. Nihayetinde elde edilen modeller dayanım ve ağırlık parametrelerinden en az biriyle standart kancaya göre üstünlük sağlamıştır.

Abstract:
Design optimization is a process in which the strength and therefore the life of the parts performing a mechanical task subjected to repeated loads can be increased. In addition to increasing the strength of the part, weight reduction is the main target. Topology optimization is a method in which the parameters (weight and strength) can be better controlled in the design. New topology optimization methods developed day by day, facilitate the design processes and provide design diversity.
Within the scope of this thesis, the static and fatigue behaviors of lifting hooks are examined. It has been tried to maximize the strength and fatigue life of lifting hooks under normal loading conditions by using different methods, especially topology optimization.
First, topology optimization and fatigue analysis of a standard lifting hook were performed. In this process, "density-based method", which is a topology optimization method, was used to obtain new models and parametric hole operation was performed. Then, the density-based method was applied to the standard hook again by changing the topology study parameters to verify the parametric hole operation. In this study, it was aimed to reduce the weight as well as to preserve the strength of the standard sample. Based on the topological examination of the DIN15401-2.5 lifting hook, the new models obtained were compared with the standard hook. The results will allow designers to produce a lighter sample in addition to the strength that standard samples have.
Secondly, cellular cut operation was applied to the hook to achieve the goal of low weight and high strength in a standard lifting hook. In this study, body-centered cubic cells were used and they were placed on the hook in accordance with the static analysis results. In the resulting model, the weight decreased with some increase in strength. It is predicted that better results can be obtained if the method is improved.
In the third stage, a different method was used to obtain a higher structurally performance model of the standard hook (DIN15401-2,5). This method is called the "element removal method" in the literature. In this context, a computer code was developed using the parametric language of the ANSYS package program. In this method, where changes are made on the finite element model, new models are produced by removing the elements depending on a parameter. Finally, the model results obtained were superior to the standard hook with at least one of the strength and weight parameters.