Döşemeli koltuklarda performans testleri ve sonlu elemanlar analizlerini kapsayan ürün mühendisliği yaklaşımıyla ağırlık-mukavemet optimizasyonu
Weight–strength optimisation of upholstered sofas by product engineering approach including performance tests and finite element method
Yazar: TOLGA KUŞKUN
Danışman: PROF. DR. ALİ KASAL
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Ağaç İşleri Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products

Özet:
Bu çalışmada, Türkiye'de faliyet gösteren büyük ölçekli bir firma tarafından ev içi kullanım için üretilmiş farklı modellerdeki döşemeli koltukların, performans testleri ve sonlu elemanlar analizlerini de kapsayan ürün mühendisliği metodolojisi ile optimum ağırlık ve mukavemet düzeyine getirilmesi amaçlanmıştır. Üretilen ürünlerde ağırlığın fazla olması, nakliye ve diğer maliyetleri arttıran, iş sağlığı ve güvenliğini olumsuz yönde etkileyen ve kullanıcı açısından zorluklar teşkil eden bir faktördür. Bütün bu olumsuz etkilerin yanı sıra, paket ağırlıklarının fazla olması nedeniyle ihracat yapan firmaların ciddi mali problemlerle karşılaşması söz konusu olmaktadır. Paket ağırlıklarının azaltılması; fabrika, ana bayi, tali bayi çalışanlarına ve hatta son kullanıcılara hissedilir ölçüde çalışma, kullanma kolaylığı ve fonksiyonellik sağlama açısından önemlidir. 
Bu amaçla, firmada üretilen döşemeli koltukları temsilen, 3 farklı model ikili ve 3 farklı model üçlü koltuk olmak üzere toplam 6 koltuk modeli çalışma kapsamına alınmış ve ağırlık-mukavemet ilişkisi göz önünde bulundurulmak suretiyle optimizasyon çalışmalarına tabi tutulmuştur. Koltukların, çalışmanın birinci aşamasında mevcut ağırlık ve mukavemet durumlarının tespiti amacıyla, ağırlık ölçümleri yapılmış, performans testleri gerçekleştirilmiş ve GSA (General Services Administration) standardında belirtilen kullanım koşullarında ev içi kullanımlar için gerekli olan kabul edilebilir tasarım yüklerini taşıyıp taşımadıkları incelenmiştir. Buna göre; hangi model için güçlendirme, hangi model için ise gerekli mukavemet düzeyine düşürme çalışmaları yapılacağı belirlenmiştir. Performans testlerinde gerçek kullanım koşullarını en iyi temsil eden devirli basamaklı artan yükleme metodu (Cyclic Stepped Increasing Loading Method) kullanılmıştır. Performans testleri, düşey oturma yüklemesi testi, arkalık döşeme testi, arkalık çerçeve testi, ayaklara önden arkaya yatay yükleme testi, kolçaklara yanal yükleme testi ve ayaklara yanal yükleme testi olacak şekilde 6 farklı yönde gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın bu aşamasında, 6 koltuk modeli, 6 yükleme yönü ve 3 yineleme olacak şekilde toplam 108 koltuk test edilmiştir. 
Çalışmanın ikinci aşamasında, tüm koltuk modelleri sanal ortamda SpaceClaim (17.2) yazılımı ile 1/1 ölçekli ve üç boyutlu olarak modellenmiş ve koltuk modellerinin nümerik çözümleri için sonlu elemanlar yöntemi (FEM: Finite Element Method) ile çalışan bir yazılımdan (ANSYS Workbench 17.2) yararlanılmıştır. Mevcut mukavemet ve ağırlık durumunun tespiti yapılıp sonlu elemanlar analizleri ile doğrulandıktan sonra, her bir koltuk için bireysel optimizasyon çalışmalarına geçilmiştir. Optimizasyon çalışmalarında da sonlu elemanlar analizi programından yararlanılmış, ağırlık ve mukavemet bakımından sanal ortamda optimize edilen ve ev içi kullanımlar için gerekli olan mukavemet değerlerini karşıladığı belirlenen optimize koltuklara ilişkin prototipler, firmanın üretim koşullarında üretilmişlerdir. Çalışmanın üçüncü aşamasında ise, sanal ortamda optimize edilmiş olan koltukların, gerçek testlerde de yeterli mukavemete sahip olduklarının doğrulanması için tüm koltuk modellerine ilişkin optimize edilerek üretilen prototipler birinci aşamada gerçekleştirilen performans testlerine alınmışlar ve ev içi kullanım koşullarını sağladıkları belirlenmiştir.
Çalışma kapsamında gerçekleştirilen ürün mühendisliği metodolojisi sonucunda, üçlü koltuk modellerinde ortalama %17, ikili koltuk modellerinde ise %18 hafifletme gerçekleştirilmiştir. Döşeme ağırlıkları dikkate alınmadan, sadece proje kapsamında çalışılan bölüm olan iskelet kısmına göre mevcut durumdaki iskelet ağırlıkları ve optimize edildikten sonraki iskelet ağırlıkları dikkate alındığında, üçlü koltuk modellerinde ortalama %32, ikili koltuk modellerinde ise %36 hafifletme yapılmıştır.    
Sonuç olarak, çalışma sayesinde koltuk ağırlıkları ve mukavemetleri niceliksel veriler ile optimum düzeye getirilerek ürün iyileştirme; performans testleri ve sonlu elemanlar analizlerini içeren ürün mühendisliği metodolojisinin uygulanmasıyla da firmanın Ar-Ge ve Ür-Ge birimlerinde süreç iyileştirmesi gerçekleştirilmiştir. Sonuç ürünleri; üretici, satıcı ve kullanıcılara teknik, ekonomik ve ergonomik yararlar sağlayacaktır.

Abstract:
In this study, it is aimed to make weight–strength optimization of the sofas according to member section sizes by using the product engineering methodology including performance tests, finite element analyses and optimization techniques. Weight is a factor that negatively affects the cost of the product, shipping cost, worker health, operational safety, and constitutes problems in service for users. In addition, it is a matter of the fact that the exporting firms encounter serious cost problems because of the package weight. When the package weight is decreased, it will also provide some significant advantages to workers of company, main dealer, sub dealer and even users such as ease of operation and usage, and functionality.
For this purpose; a total of 6 model sofas, 3 different model double sofas, 3 different model triple sofas were tested in the scope of the study. The weights of the sofas were measured and upholstered sofas were tested for obtaining the performance in order to determine the current weight and strength conditions compared with the acceptable design loads required for domestic usage under the conditions specified in the GSA (General Services Administration) standard test method. According to this; for which model will be strengthened, and for which model will be restored to condition of required strength levels were determined. Cyclic Stepped Increasing Loading Method, which has the most accurate representation of real usage conditions, was used in performance tests. 6 performance test were performed which are seat load test, backrest foundation test, backrest frame test, sidethrust arm load test, sidethrust load test on legs, front to back load test for legs.  In this phase of the study, a total of 108 seats were tested, including 6 seat models, 6 loading directions with 3 replications. 
In the second phase of the study, all upholstered sofas were modeled as 1/1 scale with SpaceClaim software in virtual plathform and Finite Element Method (FEM) was used for three-dimensional structural solutions of sofa models by using ANSYS. After determining the current strength and weight condition and verifying by finite element analysis, individual optimization studies were started for each upholstered sofas. In optimization studies, finite element analysis program was utilized, prototypes for optimized upholstered sofas, which were optimized in terms of weight and strength, and determined to meet the strength values required for domestic usage, were produced under the company's production conditions. In the third stage of the study, all upholstered sofas were taken back to the performance tests carried out in the first stage to verify that the virtually optimized seats have sufficient strength in the actual tests.
As a result of the product engineering methodology carried out within the scope of the study, an average of 17% reduction in triple sofa models and 18% in double sofa models was achieved. Regardless of the upholstery weights, the weight of the triple sofa models was reduced by an average of 32% and the weight of the double sofa models was reduced by an average of 36% compared to the skeleton part, which is the only part of the project.
Consequently, product improvement by optimizing sofa weights and strengths with quantitative data thanks to the study; with the application of product engineering methodology, which includes performance tests and finite element analysis, a process improvement was carried out in the company's R&D and P&D units.