İNNOVATİF ENDÜSTRİYEL TASARIMLARDA BİLGİSAYAR DESTEKLİ OPTİMİZASYON YÖNTEMLERİ

1. İNNOVATİF ENDÜSTRİYEL TASARIMLARDABİLGİSAYAR DESTEKLİOPTİMİZASYON YÖNTEMLERİ Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN

2. İnnovatif endüstriyel tasarımlarda; Gerekli işletme ömründen, dayanımından, emniyetinden vegüvenirlikten ödün vermeden, gereğinden fazla madde (malzeme),güç(enerji) ve zaman (işçilik) kaçınmak, olmasa olmazlardandır.Dahamükemmel, yüksek ve çoklu getirisi bulunabilen farklı ve veyayeniendüstriyel tasarımlar, yaratıcılığın ve mesleki bilgilerin yanındagününteknolojisinin ve araç gereçlerin kullanımı ile ortaya çıkarlar. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

3. Günümüzün endüstriyel tasarımcıları, Amaca uygun hazır paketprogramlarını kullanarak fikir ve hayallerini farklıişletme koşulları, kullanım alanları altında bilgisayar ekranında sanalolarak görüntüleme, deneme, test etme ve akabinde daha dageliştirme imkânına sahiptirler. Bilgisayar destekli bu süreçten,endüstriyel tasarımcılar iyileştirme ve yeni tasarımlar için bazı ipuçları, spontane fikirler elde etme olanağına sahiptirler. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

4. İnnovatif endüstriyel tasarımlar ve bilgisayar destekli optimizasyonyöntemleri, (Boyut, Form, topoloji ve topografi optimizasyonu) hakkındauygulamalı örneklerle bu sunumda bilgi verilmektedir. Özellikle son yıllarda endüstriyel tasarımda yoğun olarak uygulanantopolojik optimizasyonun önemi ve gelişme potansiyeli tartışmayasunulmaktadır. Bu çalışmada, innovatif endüstriyel tasarımında optimizasyonkonusuna dikkat çekilmektedir. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

5. Bir otomotiv parçasının optimizasyon evrimi Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

6. Bir otomobil gövdesinin optimizaston aşamaları. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

7. Innovatif Endüstriyel Tasarımda Optimizasyon - Boyutlandırma Optimizasyonu, (SizingOptimization) - Şekillendirme Optimizasyonu, (Form Optimization, ShapeOptimization) - Çökertme-Kabartma Optimizasyonu, (TopographyOptimization - Topoloji Optimizasyonu, (TopologyOptimization) Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

8. Innovatif Endüstriyel Tasarımda Optimizasyon - Boyutlandırma Optimizasyonu, (SizingOptimization) - Şekillendirme Optimizasyonu, (Form Optimization, ShapeOptimization) - Çökertme-Kabartma Optimizasyonu, (TopographyOptimization - Topoloji Optimizasyonu, (TopologyOptimization) Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

9. Topoloji Optimizasyonu, (TopologyOptimization) Üç boyutlu endüstriyel tasarımların geometrik şekilleri ve boyutları, karmaşık matematiksel denklemler ile tanımlanmaktadır. Kuvvet etkisindeki davranışları ise genelde nonlineer matris, diferansiyel denklemler, işletme koşulları ve sınır değerleri dikkate alınarak ve bazı varsayımlarla sonlu elemanlar hesap yöntemleri ile çözülmektedirler. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

10. Topoloji Optimizasyonu, (TopologyOptimization) üç boyutlu ortamda herhangi bir endüstriyel tasarımı oluşturan malzemenin yada malzemelerin en uygun dağılımını sağlayan bir optimizasyon yöntemidir. Dış zorlamaların etkisiyle gerilmelerin yoğun olduğu kritik bölgelere malzemeyi gerilim azaltıcı, dağıtıcı olarak ölçülü yığmak, ve veya E-Modülü yüksek malzemeleri yaymak, gerilmelerin az olduğu yerlerden ise malzemeyi eksiltmek ya da E-Modül, yada yoğunluğu düşük malzemeler kullanmak esasına dayanmaktadır. Topoloji optimizasyon yönteminde üç boyutlu malzeme dağılımı ile dayanım, rijitlik gibi işletme özelliklerden ödün vermeden daha hafif, albenili, karlı endüstriyel tasarımların elde edilmesi hedeflenmektedir. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

11. Topoloji Optimizasyonunda yakalanmak istenen kriterler Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

12. Endüstriyel tasarımda optimizasyon hesaplarının hedefi aşağıdaki gibi sıralanabilir ;  Gerilme yığılmalarını gidermek  Rijitligiartırmak  Ağırlığı düşürmek  Şekil değiştirme enerjisini azaltmak  Hacmi küçültmek  Dayanımı istenen seviyede tutmak  İşletme ömrünü artırmak  Frekansı değiştirmek  İmalata uygunluk Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

13. Bilgisayar Destekli Topoloji Optimizasyonunda; Topoloji optimizasyonda üç boyutlu endüstriyel tasarımın şekli kompleks matematiksel denklemlerle tanımlanmaktadır. Maksimum ya da minimum hedeflenen değerlere göre bu denklemin iterasyonsayısına göre üç boyutlu şekilsel çözümler elde edilmektedir. Nümerik çözüm yöntemlerinde program; zorlanmaların yüksek olduğu toposlara, yani yerlere malzeme yığmakta, veya E-Modülü, yoğunluğu yüksek olan malzeme değerlerini sanal olarak seçmektedir. Buna karşın gerilmelerin az ya da hiç olmayan yerlerden sanal olarak malzeme eksiltmektedir. Buradaki gerilme boşlukları E-modülü ya da yoğunluğu çok düşük olan poröz malzeme değerleri, program tarafından sanal olarak seçilmektedir. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

14. Sonlu elemanlar metodu kullanılarak elde edilen verilerle, bir endüstriyel tasarım yapısının optimizasyon aşamaları. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

15. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

16. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

17. Topoloji optimizasyonunda literatürde farklı alt gruplar bulunmaktadır,bunlar: • - Matematiksel topoloji optimizasyon, • - Empiriktopoloji optimizasyon, • - Dinamik topoloji optimizasyon, • - Materyal topoloji optimizasyon, • - Geometrik optimizasyon. • Olarak özetlenebilmekle birlikte daha da genişletilebilir. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

18. BİLGİSAYAR PROGRAMLARI Günümüzde topoloji optimizasyon yöntemi ile ilgili çok sayıda hazır paket programları bulunmaktadır. Bunların kullanımı basitleştirilmiş, kolaylaştırılmıştır, kabul edilebilir, gerçeğe daha yakin sonuçlar elde edilebilmektedir. Çok sayıdaki optimizasyon hazır paket programlarının genel bir kullanımı söz konusu olmamaktadır. Bazı optimizasyon programları belli endüstriyel tasarımları için memnun edici, kullanılabilir sonuçlar verirken başka tasarımlar için kullanılmaz sonuçlar da verebilmektedirler. Bazı mühendislik danışmanlık bürolarının belli tasarımlar, ürünler için geliştirdikleri optimizasyon programlarını piyasada bulmak mümkündür.Yaygın olarak kullanılan programlar: ANSYS NASTRAN MATLAB CATIA PRO/ENGINEER CREO ABAQUS SOLIDWORKS INVENTOR örnek verilebilir. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

19. Topoloji optimizasyonu ile elde edilen malzeme tasarrufu küçümsenmemelidir. Elde edilen malzeme tasarrufu endüstriyel tasarımın hacimsel büyüklüğüne, sistemin parça ve eleman sayılarına göre bir kaç gram olabildiği gibi, yüzlerce kilogram da olabilmektedir. Bilhassa seri yığınsal parça üretimden elde edilen malzeme, işlem ve enerji tasarrufu ile işletmenin kazancı ve rekabet şansı artar. Ulaşım vasıtalarında (otomobil, otobüs gibi taşıt karoserlerinde, gemi ve uçak konstrüksiyonlarında) multioptimizasyon yöntemleri, uygun malzeme secimi ve uygun imalat yöntemleri ile elde edilen ağırlık tasarrufu, vasıtanın tipine göre % 40 lara kadar varabilmektedir. Buradaki malzeme tasarrufu tasarımın üretim ve işletmedeki enerji masraflarını da büyük ölçüde azaltmaktadır. Endüstriyel tasarımların büyüklüklerine ve karmaşıklıklarına göre tasarım için, işletme dayanımı ömür hesapları, malzeme, imalat ve nümerik hesap yöntemleri gibi farklı bilim alanlarının bir kombinasyonu gerekli olmaktadır. Günümüzde endüstriyel bir tasarımın piyasaya efektif bir sürede sunulabilmesi için farklı bilim alanlarının ortak bir ekip çalışması söz konusu olmaktadır. Örneğin, uluslararası bir proje dahilinde sürdürülen ARGE çalışmalarında yeni tip otomobil karoserlerinde rijitlik artışı yanında ağırlıktan %30 kadar tasarruf edilebilmiştir. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

20. Yükler ve kısıtlamalar Optimizasyon aşamaları Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

21. İnitialdesign Design proposal aftertopology optimization TRANSVERSE LINK Final design SONUÇ %12 ağırlıktan tasarruf, % 60 dayanım ve % 16 rijitlik artışı Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

22. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

23. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

24. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

25. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

26. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

27. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

28. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

29. Konvansiyonel ve optimum tasarım prosesleri Sınır şartlarını sağlayacak kesin parametrelerin tayin edilmesi durumunda bir problem, bir optimum tasarım problemi olarak ifade edilebilir. Bu sebeple optimizasyon teknikleri oldukça genel ve farklı alanlarda uygulanmaya müsait bir yapı arz etmektedir. Bu tekniklerin uygulanabilirliği ise tasarım mühendislerinin hayal gücü ve yeteneği ile orantılı olmaktadır. Tasarımcının, basit teknikler ve temel prensipleri kullanarak çok sayıda uygulama yapabilmesinin yanı sıra, notasyonlar, terminoloji ve detaylar arasında boğulmadan ilgilendiği alandaki uygulamayı anlayabilmesi gerekmektedir. Bu nedenlerden dolayı, tasarım faaliyeti bir tasarım prosesi olarak düşünülmelidir. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

30. Konvansiyonel tasarım prosesi, Daha çok tasarımcının sezgilerine, tecrübesine ve yeteneğine bağlı kalmaktadır. İnsan faktörünün bir tasarımda bu denli ağırlığının olması bazen kompleks sistemlerin sentezinde hatalı sonuçların ortaya çıkmasına neden olabilmektedir. Şekilde, tasarımcının tecrübe ve sezgileriyle oluşturduğu bir ya da birkaç deneme tasarımının bir araya getirilişini gösteren konvansiyonel tasarıma ait bir akış görülmektedir. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

31. Bilgisayar Destekli Tasarım Optimizasyonu (ComputerAided Design Optimization-CADO), CADO prosesinde, özellikle karmaşık problemlerin çözümünde, sistematik yaklaşımdan dolayı sürekli bir kendini kontrol ve tasarım değişkenlerinin bir birleri ile uyum içinde eş zamanlı olarak incelenebilmesi mümkündür. Bu problemlerde bilgisayar kullanımı yoğun bir biçimdedir ve bu da, proses zamanını oldukça kısaltır ve çözüm hassasiyetini de aynı ölçüde artırır. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

32. Tasarım faaliyetinin farklı aşamalarında hem klasik, hem de optimum tasarım prosesleri kullanılabilir.Klasik tasarım prosesinin burada avantajı, tasarımcının tecrübe ve sezgilerini kullanarak klasik bazında önemli değişikliklere gidebilmesi ve tasarım aşamalarına bazı ilave koşullar ekleyebilmesi serbestliğidir. Fakat detaylı tasarım aşamasına gelindiğinde klasik tasarım prosesinin bazı dezavantajları ve zorlukları ortaya çıkmaktadır. Bu zorluklar genellikle karmaşık sınır koşullarından kaynaklanır. Bu aşamada tasarımcı sınır koşullarını artırmak ya da azaltmak veya bunların hangilerinin değiştirilmesi gerektiği gibi konularda karar vermekte zorlanabilir. Bundan başka, klasik tasarım prosesi ekonomik olmayan tasarım çözümlerine yönelebilir ve proses zamanını belirlenen takvim dışına çıkararak uzatabilir. Optimum tasarım prosesi ise tasarımcıya dizayn değişkenlerinin uygun maliyet ve sınır koşulları fonksiyonlarının belirlenmesinde güç kazandırmaktadır. Mühendislik sistemlerinin bilgisayar kullanmak suretiyle daha hassas ve doğru bir şekilde ve daha kısa zamanda analiz edilebilmesi imkanı, tasarımın daha doğru ve verimli olmasını sağlamaktadır. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü

33. Bir optimizasyon çalışması, bir ya da daha fazla parametrenin belirlenen bir amacı ya da bir tasarımın makuliyetini sağlayan en iyi değerini tespit etmek için yapılır. Amaç ve limitler çok çeşitli olabilir. Fakat optimizasyonda aynı süreçte yalnız bir amaç ya da limit güdülebilir. Creo/Simulateyazılımı, optimizasyonu modele ait tasarım parametrelerini belirlenen amaca ya da limite yeteri kadar yaklaştırmak için her seferinde daha yakın bir sonuç elde edilen bir iterasyonhesabı şeklinde ele alır. Bazen bir amaç belirlenmez; bu durumda çalışma fizibilite analizi olarak adlandırılır. Optimizasyonda belirlenen amaç, minimize ya da maksimize edilebilir. Örneğin modelde oluşan gerilmeler minimize edilebilir. Bir amaç tanımlanırken programda başka farklı analizlere bağlı bir nicelik seçilmelidir. Örneğin, modelin tasarım parametrelerinin optimizasyonunda daha önce aynı model üzerinde yapılmış statik gerilme analizi, gerilme minimizasyonu için kullanılabilir. Herhangi bir analiz tanımlanmadığı sürece bununla ilgili bir nicelik seçilemez. Amaç tanımı yapmak şart değildir fakat bu durumda da bir limit belirlenmelidir. Amaç tanımlanmadığı durumda program, belirlenen bir limite ulaşacak en makul tasarımı araştırır. Doç. Dr. Mehmet ÇALIŞKAN - SAÜ - Teknoloji Fakültesi - Makina Mühendisliği Bölümü