Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi
Yıl: 2021 Cilt: 36 Sayı: 2 Sayfa Aralığı: 607 - 626 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.693116 İndeks Tarihi: 29-07-2022
Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi
Öz: Bu çalışmada, kafes yapıların optimizasyon ile tasarımı sürecinde, geometriye ve eklemeli imalattan gelen kısıtlamalara bağlı olarak kafes hücre boyutlarının alabileceği üst ve alt kısıtlar ile optimizasyondaki tasarım değişkenleri olan çubuk eleman çaplarının üst ve alt limitlerinin belirlenmesi için doğrudan kullanılabilecek bir tasarım yöntemi önerilmiştir. Bu önerilen yöntem, özel olarak basit kafes, basit yüzey merkezli kafes ve basit hacim merkezli kafes olarak adlandırılan üç kafes hücre türü için detaylandırılmıştır. Belirlenen hücre boyutları ile belirlenen hedef ve kısıtlara bağlı olarak tasarımın etkin bir şekilde gerçekleştirilmesi için, topoloji ve boyut optimizasyonlarını beraber kullanılarak en iyi tasarımı verecek bir kafes yapı optimizasyonu süreci önerilmiştir. Optimizasyon süreçlerinin ihtiyaç duyduğu yüksek hesaplama maliyetini en aza indirgeyebilmek için hesaplama maliyeti düşük ama optimum sonuca hızlı bir şekilde ulaşabilen verimli bir optimizasyon algoritması olan Optimallik Kriterleri metodu ile bir optimizasyon süreci geliştirilmiştir. Önerilen tasarım optimizasyon süreci, literatürdeki iki İHA kolu tasarımı örneğine uygulanmıştır. Son tasarımlar için karşılaştırılan sonuçlara göre, önerilen tasarım süreci sayesinde belirlenen hedefler için daha iyi performansa sahip tasarımlar elde edilebileceği gösterilmiştir.
Anahtar Kelime: Determining geometric bounds used in lattice structure design and optimization based on additive manufacturing constraints
Öz: In the lattice structure optimization, the lattice type and additive manufacturing (AM) constraints influence the geometric bounds such as the lattice cell dimensions used in the structure and the strut diameters optimized as design variables. Formulations are presented in this study to determine the lower and upper bounds of these geometric dimensions based on the lattice type and AM constraints A stiffness-based lattice optimization process is presented to effectively identify the optimized design within the determined bounds using both the topology and size optimizations. To minimize the computational cost, an optimization algorithm is developed based on the Optimality Criteria (OC) method that can quickly reach the optimized solution. Thus, the design space of the strut diameters can be identified using the developed formulations to get the benefit of using the entire design space in the allowable bounds. The proposed approach is applied for two quadcopter arm examples in the literature. The results show that the proposed approach produces designs with up to 45% better performance compared to the existing designs.
Anahtar Kelime: Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
- 1. Gibson L.J., Ashby M.F., Harley, B.A., Cellular Materials in Nature and Medicine, 1st ed, Cambridge Univeristy Press, 2010.
- 2. Nazir, A., Abate, K.M., Kumar, A., Jeng, J.Y., A stateof-the-art review on types, design, optimization, and additive manufacturing of cellular structures. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 104 (9-12), 3489-3510, 2019.
- 3. Deshpande V.S., Fleck N.A., Collapse of truss core sandwich beams in 3-point bending, International Journal of Solids and Structures, 38 (36-37), 6275– 6305, 2001.
- 4. Schaedler T.A., Carter W.B., Architected cellular materials, Annual Review of Materials Research, 46, 187–210, 2016.
- 5. Jia Z., Liu F., Jiang X., Wang L., Engineering lattice metamaterials for extreme property, programmability, and multifunctionality, Journal of Applied Physics, 127 (15), 150901, 2020.
- 6. Nagesha B.K., Dhinakaran V., Shree M.V., Kumar K.M., Chalawadi D., Sathish T., Review on characterization and impacts of the lattice structure in additive manufacturing. Materials Today: Proceedings, 21, 916-919, 2020.
- 7. Li J., Cui X., Hooper G.J., Lim K.S., Woodfield T.B., Rational design, bio-functionalization and biological performance of hybrid additive manufactured titanium implants for orthopaedic applications: A review, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 105, 103671, 2020.
- 8. Gümrük R., Uşun A., Investigation of mechanical properties of electroless nickel plated micro-lattice structures, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35 (4), 1783-1798, 2020.
- 9. Zok F.W., Latture R.M., Begley M.R., Periodic truss structures, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 96, 184–203, 2016.
- 10. Liu J., Gaynor A.T., Chen S., Kang Z., Suresh K., Takezawa A., Li L., Kato J., Tang J., Wang C.C.L., Cheng, L., Current and future trends in topology optimization for additive manufacturing. Structural and Multidisciplinary Optimization, 57 (6), 2457–2483, 2018.
- 11. Gorguluarslan R.M., Gandhi U.N., Mandapati R., Choi S.K., Design and fabrication of periodic lattice-based cellular structures, Computer Aided Design and Applications, 13 (1), 50–62, 2016.
- 12. Tang Y., Kurtz A., Zhao Y.F., Bidirectional Evolutionary Structural Optimization (BESO) based design method for lattice structure to be fabricated by additive manufacturing, Computer-Aided Design, 69, 91-101, 2015.
- 13. Gorguluarslan R.M., Gandhi U.N., Song Y., Choi S.-K., An improved lattice structure design optimization framework considering additive manufacturing constraints, Rapid Prototyping Journal, 23, 305–319, 2017.
- 14. Chen W., Zheng X., Liu S., Finite-element-mesh based method for modeling and optimization of lattice structures for additive manufacturing, Materials, 11 (11), 2073, 2018.
- 15. Wang Y., Li S., Yu, Y., Xin Y., Zhang X., Zhang Q. and Wang S., Lattice structure design optimization coupling anisotropy and constraints of additive manufacturing. Materials & Design, 109089, 2020.
- 16. Plessis A., Broeckhoven C., Yadroitsava I., Yadroitsev I., Hands C.H., Kunju R., Bhate D., Beautiful and functional: a review of biomimetic design in additive manufacturing. Additive Manufacturing, 27, 408-427, 2019.
- 17. Alzahrani, M., Choi S.K., Rosen D.W., Design of trusslike cellular structures using relative density mapping method. Materials and Design, 85, 349–360, 2015.
- 18. Daynes S., Feih S., Lu W.F., Wei J., Optimisation of functionally graded lattice structures using isostatic lines, Materials & Design, 127, 215–223, 2017.
- 19. Panesar A., Abdi M., Hickman D., Ashcroft I., Strategies for functionally graded lattice structures derived using topology optimisation for additive manufacturing. Additive Manufacturing, 19, 81-94, 2018.
- 20. Wu J., Wang C.C., Zhang X., Westermann R., Selfsupporting rhombic infill structures for additive manufacturing. Computer-Aided Design, 80, 32-42, 2016.
- 21. Tang Y., Dong G., Zhou Q., Zhao Y.F., Lattice structure design and optimization with additive manufacturing constraints. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 15 (4), 1546–1562, 2017.
- 22. Anudeep M. Diwakar G. Katukam R., Design of a quad copter and fabrication. International Journal of Innovations in Engineering and Technology, 4, 59–65, 2014.
- 23. Zhang Q., Chen J., Yang L., Dong W., Sheng X., Zhu X., Structure optimization and implementation of a lightweight sandwiched quadcopter, International Conference on Intelligent Robotics and Applications, Portsmouth-UK, 220–229, 2015.
- 24. Li D., Liao W., Dai N., Dong G., Tang Y., Xie Y.M., Optimal design and modeling of gyroid-based functionally graded cellular structures for additive manufacturing, Computer Aided Design, 104, 87–99, 2018.
- 25. Gorguluarslan R.M., Aksoy S.T., Turnacilar T., Köksal A.F., Design of a quadcopter arm for additive manufacturing using optimization and lattice structures, The 18th International Conference on Machine Design and Production, Eskişehir-Türkiye, 261–275, 3-6 Temmuz 2018.
- 26. Vlădulescu F., Constantinescu D.M., Lattice structure optimization and homogenization through finite element analyses. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 1464420720945744, 2020.
- 27. Cheng L., Bai J., To A.C., Functionally graded lattice structure topology optimization for the design of additive manufactured components with stress constraints, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 344, 334-359, 2019.
- 28. Wu T., Liu K., Tovar A., Multiphase topology optimization of lattice injection molds, Computers & Structures, 192, 71-82, 2017.
- 29. Cheng, L., Liu, J. and To, A.C., Concurrent lattice infill with feature evolution optimization for additive manufactured heat conduction design. Structural and Multidisciplinary optimization, 58 (2), 511-535, 2018.
- 30. Li D., Liao W., Dai N., Xie Y.M., Anisotropic design and optimization of conformal gradient lattice structures. Computer-Aided Design, 119, 102787, 2020.
- 31. Stankovic T., Mueller J., Shea K., The effect of anisotropy on the optimization of additively manufactured lattice structures, Additive Manufacturing, 17, 67-76, 2017.
- 32. Chan Y.C., Shintani K., Chen W., Robust topology optimization of multi-material lattice structures under material and load uncertainties. Frontiers of Mechanical Engineering, 14 (2), 141-152, 2019.
- 33. Lebaal N., Zhang Y., Demoly F., Roth S., Gomes S., Bernard A., Optimised lattice structure configuration for additive manufacturing, CIRP Annals, 68 (1), 117-120, 2019.
- 34. Selvaganapathy S., Ilangumaran A., Design of quadcopter for aerial view and organ transportation using drone technology. Asian Journal of Applied Sciences and Technology, 1, 311–315. 2017.
- 35. Liu L., Kamm P., García-Moreno F., Banhart J. and Pasini D., Elastic and failure response of imperfect three-dimensional metallic lattices: the role of geometric defects induced by Selective Laser Melting, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 107, 160-184, 2017.
- 36. Vanderesse N., Ky I., González F.Q., Nuño N., Bocher, P., Image analysis characterization of periodic porous materials produced by additive manufacturing, Materials & Design, 92, 767-778, 2016.
- 37. Takano N., Takizawa H., Wen P., Odaka K., Matsunaga S., Abe S., Stochastic prediction of apparent compressive stiffness of selective laser sintered lattice structure with geometrical imperfection and uncertainty in material property, International Journal of Mechanical Sciences, 134, 347-356, 2017.
- 38. Rezaei R, Karamooz Ravari MR, Badrossamay M, Kadkhodaei M., Mechanical characterization and finite element modeling of polylactic acid BCC-Z cellular lattice structures fabricated by fused deposition modeling, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 231 (11), 1995-2004, 2017.
- 39. Michell A.G.M., The limits of economy of material in frame-structures, The London, Edinburgh, Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 8 (47), 589–597, 1904.
- 40. Stolpe, M., Truss optimization with discrete design variables: a critical review. Structural and Multidisciplinary Optimization, 53 (2), 349-374, 2016.
- 41. Kattan P.I., MATLAB guide to finite elements: An interactive approach, Springer-Verlag, New York, NY, A.B.D., 2008.
- 42. Richardson J.N., Adriaenssens S., Bouillard P., Coelho R.F., Multiobjective topology optimization of truss structures with kinematic stability repair, Structural and Multidisciplinary Optimization, 46 (4), 513-532, 2012.
- 43. Li L.J., Huang Z.B., Liu F., A heuristic particle swarm optimization method for truss structures with discrete variables, Computers & Structures, 87 (7-8), 435-443, 2009.
- 44. Zegard T., Paulino G.H., GRAND3—Ground structure based topology optimization for arbitrary 3D domains using MATLAB, Structural and Multidisciplinary Optimization, 52 (6), 1161-1184, 2015.
- 45. Venkayya V.B., Optimality criteria: A basis for multidisciplinary design optimization, Computational Mechanics, 5 (1), 1–21, 1989.
- 46. Stankovic T., Mueller J., Egan P., Shea K., A generalized optimality criteria method for optimization of additively manufactured multimaterial lattice structures. Journal o Mechanical Design, 137 (11), 111405, 2015.
- 47. Bendsøe M.P., Sigmund O., Topology Optimization, Theory, Methods and Applications, Springer-Verlag, Berlin, 2003.
| APA | Gorguluarslan R (2021). Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. , 607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| Chicago | Gorguluarslan Recep Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. (2021): 607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| MLA | Gorguluarslan Recep Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. , 2021, ss.607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| AMA | Gorguluarslan R Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. . 2021; 607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| Vancouver | Gorguluarslan R Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. . 2021; 607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| IEEE | Gorguluarslan R "Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi." , ss.607 - 626, 2021. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| ISNAD | Gorguluarslan, Recep. "Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi". (2021), 607-626. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.693116 |
| APA | Gorguluarslan R (2021). Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36(2), 607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| Chicago | Gorguluarslan Recep Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 36, no.2 (2021): 607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| MLA | Gorguluarslan Recep Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.36, no.2, 2021, ss.607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| AMA | Gorguluarslan R Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2021; 36(2): 607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| Vancouver | Gorguluarslan R Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2021; 36(2): 607 - 626. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| IEEE | Gorguluarslan R "Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36, ss.607 - 626, 2021. 10.17341/gazimmfd.693116 |
| ISNAD | Gorguluarslan, Recep. "Kafes yapı tasarım ve optimizasyonunda kullanılan geometrik sınırların eklemeli imalat kısıtlarına bağlı olarak belirlenmesi". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 36/2 (2021), 607-626. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.693116 |
