Mühendislik tasarımı yöntemiyle mobilya kapak ve çekmecelerinin bazı mukavemet, dayanıklılık, stabilite ve yorulma parametrelerinin analizi
Analysis of some strength, durability, stability and fatigue parameters of furniture doors and drawers using engineering design method
Yazar: SEDANUR ŞEKER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİNE SEDA ERDİNLER
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Orman Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Ormancılık ve Orman Mühendisliği = Forestry and Forest Engineering

Özet:
Mobilyalar iç ve dış mekanlarda kullanılmaktadır. Ayrıca mutfak, banyo, çocuk, genç, oturma odası gibi türde mobilya gruplarına ayrılmaktadır. Mobilyalar kullanım durumunda birçok darbe, ağırlık, yük gibi eylemlerden etkilenmektedirler. Bu yüzden zaman içerisinde deforme olarak kullanım ömrünü tamamlamaktadır. Bu eylemlerin hangi deformasyonları, hangi tip mobilya ve mobilyanın hangi alanında meydana getirdiğini araştırıp, kategorize etmek gerekmektedir. 
Bu çalışmada; mutfak mobilyalarında bulunan kabin tipi dolap kapaklarının ve saklama alanı olarak kullanılan çekmece altlıklarının ve birleştirmelerin (ön, sol-sağ yan ve arka parçaların birleşim noktaları) yük altındaki mekanik davranış özelliklerini ilgili standartlar (BS EN 16122) ışığında incelemek, sanal ortamda modellemek, standarda uygun testlerini yapmak ve sonlu eleman yapısal analiz programları ile davranışlarının ne kadar yaklaşıklıkla temsil edilebileceğini belirlemek amaçlanmıştır.
Bu amaçla büyük ölçekli bir firmada müşterilerin en çok tercih ettiği mutfak modelinin alt modülünü oluşturan kapak ve çekmece çalışma kapsamına alınmıştır Çalışmanın ilk aşamasında mobilyaların yapılacağı orta yoğunluktaki lif levha (MDF) ve yonga levhaların (YL) fiziksel (yoğunluk, rutubet, su alma kalınlığına şişme) ve mekanik (eğilme direnci, eğilmede elastikiyet modülü, dik yönde çekme, vida tutma) özellikleri tespit edilmiştir. Özellikleri belirlenen bu levhalar mutfak mobilyasını oluşturan kabin, kapak ve çekmece parçaları olarak ebatlandırılmıştır. Ebatlanan mobilya parçaların tamamı belirlenen vida torku seviyesinde (1,3-0,63 N/m) birleştirilerek testlere hazırlanmıştır. İkinci aşamada kapak testleri (düşey yükleme, yatay yükleme, hızlı ama-kapama, dayanıklılık) ve çekmece testleri ( uzatma elemanlarında mukavemet, yer değiştirme, hızlı açma-kapama, dayanıklılık) standarda uygun şekilde 4 farklı bölümde gerçekleştirilerek, yer değiştirme (sehim) deformasyon değerleri hesaplanmıştır. Son aşamada ise örnekleri oluşturan tüm parçalar (kabin, kapak, çekmece, bağlantı elemanları) tasarım ve montaj (SolidWorks) programında üç boyutlu modellenerek montajlanmıştır.  Modellenen modüller gerçek deneylerde yapılan testlere en yakın şekilde oluşturularak, nümerik çözümleri için sonlu elemanlar yönteminden (ANSYS Workbench 21) yararlanılmıştır. 
Sonuçlara göre çalışmanın ilk aşamasında; yonga levha ve MDF malzemenin yoğunluk (0,63 kg/m3, 0,75 g/cm3), rutubet (%7,8, %5,8), su alma kalınlığına şişme (%16,4, %5,4 ), eğilme direnci (13,9 N/mm2, 29,4 N/mm2), eğilmede elastikiyet modülü (6083 N/mm2, 6129 N/mm2),iç yapışma direnci (0,32 N/mm2, 0,40 N/mm2), vida tutma direnci (1092 N/mm2, 1561 N/mm2) gibi fiziksel mekanik özellikleri belirlenmiştir. İkinci aşamada gerçekleştirilen gerçek deney sonuçlarına göre kapak deneylerinde 1,3 N/m tork kullanılarak montajı yapılan MDF ve YL malzemeden yapılan kapakların 0,63N/m ile montajlananlara göre daha az deforme olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca tüm testlerde MDF kapaklar YL kapaklara göre daha dayanıklı olduğu, çekmece deneylerinde de durumun değişmediği görülmüştür. Deney sonuçları; tork, malzeme ve tork*malzeme değişkenlerinin her test için ayrı ayrı anlamlılık düzeyleri istatistiksel olarak da incelenmiştir. Son aşamada gerçekleştirilen sonlu elemanlar analizi ve gerçek deney sonuçlarına göre; kapaklarda uygulanan Düşey yükleme analizi gerçek deneyler ile %85, Yatay yükleme %84, Hızlı Açma-Kapama %50 örtüştüğü tespit edilmiştir. Kapaklar gerçek deneylerde son aşama dayanıklılık testini geçememiş, analiz sonuçlarında da deformasyon bölgelerinin aynı olduğu ortaya konmuştur. Çekmecelerde ise; sanal analizlerde mukavemet %85, Yer Değiştirme %84, Hızlı Açma-Kapama %94 oranında temsil edilmiştir. Çekmeceler gerçek deneylerde dayanıklılık testini tamamlamış, analizlerde ise büyük gerilmelerde oluşan deformasyonun aynı bölgelerde olduğu belirlenmiştir.
Çalışma kapsamında gerçekleştirilen mühendislik tasarımı metodolojisi sayesinde, uygulanan tasarım, modelleme ve yapısal analizler mobilya daha üretilmeden tasarımcılara üreticiler ve mühendislere sayısal verilerin sağlanabileceği kanıtlanmıştır.

Abstract:
Furniture is used both indoors and outdoors and is categorized into various groups such as kitchen, bathroom, children's, youth, and living room furniture. During use, furniture is subjected to various forces, including impacts, weight, and loads, which can affect its performance and durability. Consequently, it gradually deforms over time, ultimately reaching the end of its operational lifespan. Therefore, it is necessary to comprehensively classify the deformations caused by these actions, specifying the affected areas within the different types of furniture.
This study aims to investigate the mechanical behavior properties of cabinet-type cabinet doors in kitchen furniture and drawer bottoms and joints used as storage areas (the joints of the front, left-right side, and rear parts) under load in accordance with relevant standards (BS EN 16122). Additionally, it aims to model them using the SolidWorks design program to determine how accurately the behavior can be represented through experimental (real) and finite element structural analysis programs.
For this purpose, the door and drawer, which constitute the sub-module of the kitchen model most preferred by customers in a large-scale company, were included in the scope of the study. In the first stage, the physical (density, moisture, swelling due to water intake, thickness) and mechanical (bending resistance, modulus of elasticity in bending, vertical pulling, screw retention) properties of medium-density fiberboard (MDF) and particle board (PB) boards from which the furniture will be made were determined. The boards were sized as the cabinet, door, and drawer parts that make up the kitchen furniture. Sized furniture parts were assembled at the determined screw torque level (1.3-0.63 N/mm²) and prepared for tests. In the second stage of the study, door tests (vertical loading, horizontal loading, slam shut, durability) and drawer tests (strength, displacement, slam shut, durability in extension elements) were performed in four different sections. Displacement (deflection) and deformation values were measured. In the final stage, all the parts that make up the samples (cabinet, door, drawer, fasteners) were three-dimensionally modeled and assembled in the design and assembly program (SolidWorks). The modeled modules were created similar to the tests performed in real experiments, and the finite element method (ANSYS Workbench 21) was used for numerical solutions.
In the first stage of the study, values such as density (0.63 kg/m³, 0.75 kg/m³), moisture (7.8%, 5.8%), swelling due to water absorption thickness (16.4%, 5.4%), bending resistance (13.9 N/mm², 29.4 N/mm²), modulus of elasticity in bending (6083 N/mm², 6129 N/mm²), tensile strength in the vertical direction (0.32 N/mm², 0.40 N/mm²), and screw holding resistance (1092 N, 1561 N) for PB and MDF were determined. According to the actual test results carried out in the second stage, it was determined that the doors assembled using a torque of 1.3 N/m in the door tests were less deformed than those assembled with 0.63 N/m. Additionally, throughout the tests, it was observed that MDF doors were more durable than PB doors, and the situation did not change in the drawer tests. Experiment results; the significance levels of the torque, material, and torque*material variables were also statistically investigated and proven separately for each test. According to the finite element analysis and real test results carried out in the last stage, it has been determined that the vertical loading analysis applied on the doors coincides with the real experiments by 85%, horizontal loading by 84%, and slam shut by 50%. The doors did not pass the final stage durability test in real experiments, and the analysis results revealed that the deformation areas were the same. In the drawers; strength 85%, displacement 84%, and slam shut 94% overlap are represented. The drawers completed the durability test in real experiments, and in the analysis, it was determined that the deformation that occurred under high stresses was in the same areas.
According to the results, it has been proven that through the engineering design methodology carried out within the scope of the study, numerical data can be provided to designers, manufacturers, and engineers through design, modeling, and structural analyses before the furniture is even produced.