Tasarlanan hava çalışma platformunun sonlu elemanlar yöntemi ile analizi ve optimizasyonu
Analysis and optimization of the designed aerial working platform with finite element method
Yazar: GÖZDE AKKAYA
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KARABEKTAŞ
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli mühendislik = Computer aided engineering ; Hava sahası = Airspace ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis

Özet:
Hava çalışma platformları, merdivenle ulaşılamayan yerlerde kullanımı tercih edilen makinelerdir. Özellikle sokak lambaları ve enerji hatlarının bakım ve onarımlarında çalışanlar tarafından kullanılmaktadır. Bahsedilen alanlarda, çalışmak riskli olduğundan, ihtiyaç duyulan yüksekliklere uygun çalışan mekanik yapılar tasarlanmaktadır. Bilgisayar destekli programlarla yapılan çalışmalardaki tasarımlar ile, imalat süreçlerini azaltmak hedeflenmektedir. Bu kapsamda tasarlanan makinelerin doğrulaması yapılmalıdır. Böyle tasarım çalışmalarının yetersiz ve eksik yapıldığı durumlar çok ciddi yaralanmalar veya kazalarla sonuçlanabilmektedir.
Bu çalışmada; bir hava çalışma platformu tasarlanarak, platformun sonlu elemanlar yöntemiyle analizi ve optimizasyonunun yapılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, analitik mukavemet hesaplamaları ve çoklu cisim dinamiği metotları kullanılarak hava çalışma platformu tasarlanmıştır. Tasarımı doğrulama amacıyla üç aşamalı bir çalışma yapılmıştır. İlk aşamada, analitik mukavemet hesaplamaları ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak hava çalışma platformu tasarımının ilk hali oluşturulmuştur. Yapılan tasarıma, sistemin her yapısı için gelen kuvvetler analitik yöntemlerle hesaplanıp uygulanmış ve statik analiz yapılmıştır. Analiz sonucunda elde edilen veriler ışığında dayanım arttırma ve hafifletme çalışmaları yapılmıştır. Sonlu elemanlar metodu kullanılarak, beş farklı sepet yükünün hava çalışma platformuna uygulanmasıyla elde edilen analiz sonuçlarına göre kritik gerilme bölgeleri ve gerilme değerleri tespit edilmiştir. Böylelikle, maksimum izin verilen gerilme değeri 340 MPa olarak belirlenmiştir. Beş farklı değerlendirme sonucunda, güvenliğin ve optimum tasarımın sağlanabileceği yük değeri 200 kg olarak saptanmıştır. Hava çalışma platformunda kullanılan silindir çapları burkulma hesaplamaları ile belirlenmiştir. İkinci aşamada, çoklu cisim dinamiği yöntemi ile alternatif doğrulama çalışması yapılmış ve sonlu elemanlar metodu kullanılarak optimizasyon sağlanmıştır. Bu kapsamda, çoklu cisim dinamiği yöntemi ile sepetten her bir yapıya aktarılan kuvvetlerin dinamik koşullarda hangi değerleri oluşturduğu belirlenmiş ve bu kuvvetler ile analizler yapılmıştır. Sepet şasesi, birinci bom, ara-bom ve üçüncü bom yapılarının optimum birer yapıya sahip tasarımlar olduğuna, kule yapısında dayanım arttırma çalışması yapılması gerektiğine karar verilmiştir. Son aşamada, kuleye gelen maksimum gerilme, yapılan iyileştirmelerle 493 MPa'dan 289 MPa'la düşürülerek optimize edilmiştir. Sonuç olarak, yapılan ilk iki uygulama karşılaştırılıp yorumlanmıştır. Bunların ışığında, kullanılan iki yönteminde yakın değerlerde olması ile birlikte çoklu cisim dinamiği yöntemiyle elde edilen verilerin daha güvenli olduğu anlaşılmıştır.
Anahtar Kelimeler: hava çalışma platformu, sonlu elemanlar analizi, çoklu cisimler dinamiği, yapısal optimizasyon, bilgisayar destekli mühendislik

Abstract:
Aerial work platforms are machines that are preferred to be used in places that can not be reached by stairs. It is especially used by workers in the maintenance and repair of street lamps and power lines. Since working in the mentioned areas is risky, mechanical structures that work in accordance with the required heights are designed. It is aimed to reduce the manufacturing processes with the designs in the studies made with computer aided programs. The machines designed in this context should be verified. Situations where such design work is done insufficiently and incompletely can result in very serious injuries or accidents.
In this study; by designing an aerial work platform, it is aimed to analyze and optimize the platform with the finite element method. For this purpose, an aerial work platform was designed by using analytical strength calculations and multi-body dynamics methods. A three-stage study was conducted to validate the design. In the first stage, the first version of the aerial work platform design was created by using analytical strength calculations and the finite element method. The forces applied to the design for each structure of the system were calculated and applied with analytical methods, and static analysis was performed. In the light of the data obtained as a result of the analysis, strength increase and lightening studies were carried out. Critical stress zones and stress values were determined according to the analysis results obtained by applying five different basket loads to the aerial work platform using the finite element method. Thus, the maximum allowable stress value was determined as 340 MPa. As a result of five different evaluations, the load value at which safety and optimum design can be achieved was determined as 200 kg. The diameters of the cylinders used in the aerial work platform were determined by buckling calculations. In the second stage, alternative validation studies were carried out with the multi-body dynamics method and optimization was achieved by using the finite element method. In this context, the values of the forces transferred from the basket to each structure by the multi-body dynamics method were determined under dynamic conditions and analyzes were made with these forces. It has been decided that the basket chassis, first boom, intermediate-boom and third boom structures are designs with an optimum structure, and that strength-enhancing work should be done in the tower structure. In the final stage, the maximum stress on the tower was optimized by reducing it from 493 MPa to 289 MPa with improvements. As a result, the first two applications were compared and interpreted. In the light of these, it has been understood that the data obtained by the multi-body dynamics method is more reliable, although the two methods used are close to each other.
Keywords: aerial work platform, finite element analysis, multi-body dynamics, structural optimization, computer aided engineering