Direksiyonlama aksonun topoloji optimizasyonuyla tasarlanması ve doğrulanması
Steering knuckle design by topology optimization and verification
Yazar: EMRE ŞEN
Danışman: DOÇ. DR. MERAL BAYRAKTAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde artan nüfus ve sanayileşmeyle birlikte hava kirliliği gün geçtikçe büyüyen bir sorun haline gelmiştir. Bu nedenle hükümetler karbon salınımını azaltarak emisyon değerlerini düşürmek için gittikçe zorlaşan regülasyonlar belirlemektedir. Bu emisyon hedeflerini yakalayabilmek için otomotiv üreticileri enerji verimliliğini arttırmaya çalışmakta ve daha hafif ve optimum tasarımlar yaparak taşıtların yakıt tüketimini azaltmaktadır.  Bu kapsamda mümkün olduğunca hafif, tasarım koşullarını sağlayacak rijitliğe ve mukavemete sahip parçalar tasarlamak için topoloji optimizasyonu oldukça elverişlidir. Topoloji optimizasyonu sonucunda tasarlanan ve imal edilen parçalarda ağırlık azaltmayla birlikte daha az hammadde kullanımına bağlı olarak maliyet azaltmaya da katkı sağlamaktadır. Bu nedenle otomotiv sektöründeki gelişen ve değişen şartlarda rekabet edebilmek, emisyon değerleriyle ilgili regülasyonlara uyum sağlayabilmek için optimum şartlarda tasarım yapmanın önemini arttırmaktadır. Bu çalışmada macpherson tipi ön süspansiyona sahip orta ticari bir aracın yaylanmayan kütle parçalarından olan akson optimizasyon ile dizayn edilmiş, belirlenen statik ve dinamik yük koşullarında ilgili tasarım kriterlerini sağlayarak doğrulanmış, dökme demir ve alüminyum malzemelerle tasarımları yapılmış ve ağırlık karşılaştırması incelenmiştir. 8 farklı statik yük koşulu ve 22 farklı parkuru içeren dinamik analiz sonucunda tasarımların validasyonu yapılmıştır. Dökme demir malzemeli akson için fiziksel testlerle deneysel çalışma tamamlanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre aynı tasarım alanı üzerinden topoloji optimizasyonunun yönlendirmesiyle tasarlanan aynı yük koşulları, kabul kriterleri, sınır şartlarına sahip dökme demir ve alüminyum malzemeli aksonlar arasında %61.6'lık ağırlık farkı bulunmuştur.

Abstract:
Population growth and industrialization cause air pollution which is increasing day by day. Therefore, the governments develop and implement new standards and regulations to reduce CO2 emission levels. Automobile manufacturers try to increase efficiency of energy and reduce fuel consumption of vehicles by making lighter and optimum designs in order to achieve these emission targets. By this perspective, topology optimization is very suitable for designing parts that are durable and stiff to meet the design requirements and light as much as possible. Cost reduction is another benefit in addition to weight reduction due to use less raw material for the parts designed and manufactured by the result of topology optimization. Therefore, it increases the importance to have optimum design for the purpose of competition ability within the developing and changing conditions in the automotive sector and adapt the regulations related emission targets. In this study, the knuckle, which is one of the unsprung mass components for a medium commercial vehicle in the macpherson type front suspension, is designed by optimization and verified by the identified design criteria under specified static & dynamic load conditions and investigated weight comparison for the designs by the cast iron and aluminum. The designed knuckles are validated under eight different static load cases and dynamic simulation, which is included twenty-two events. Experimental study is conducted and succeeded by physical test for the cast iron knuckle. As a result of this investigation, 61.6% weight difference is found between the cast iron and aluminum knuckles under the same load conditions, acceptance criteria, boundary conditions and design area by the guidance of the topology optimization.