AKİA ULTRA LF12 ARACIN KOLTUK BRAKETLERİNİN TOPOLOJİ OPTİMİZASYONU İLE HAFİFLETİLMESİ
ÖZET
Tarih boyunca, ulaşımın verimliliği ve zaman tasarrufu insanlık için oldukça önemli olmuştur. Tekerleğin icadı, bu süreci kökten değiştirmiş ve ulaşımın evriminde dönüm noktası olmuştur. Ancak, zamanla araçların boyutları ve karmaşıklığı artmış, bu da daha karmaşık tasarım ve yönetim ihtiyacını beraberinde getirmiştir. Farklı araç tiplerinin çeşitlenmesi ve bu bağlam da içten yanmalı motorlu araçların kullanılırlığının artması sonucunda dünya çapında emisyon oranları artmış ve küresel ısınmayı tetiklemiştir. İnsanoğlu çıkan bu sorunlara çözüm üretebilmek için ulaşım endüstrisinde sürekli yenilikler ve geliştirmeler yapmıştır. Bu geliştirmeler arasında, araç ağırlığının hafifletilmesi kullanılan yakıt sarfiyatını azaltmada önemli bir rol oynamaktadır.
Bu bağlamda, AKİA ULTRA LF12 aracının koltuklarında kullanılan braketlerde ANSYS yazılımının Topoloji Optimizasyonu modülü kullanılarak hafifletme işlemi, R107 regülasyonuna uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Bu işlem aracın performansını artırmak, emisyon oranını düşürmek ve yakıt verimliliğini sağlamak amacıyla yapılmıştır. Hafifletme sürecinde, minimum 1.5 kat güvenlik katsayısının göz önünde bulundurulması, araçta yapılan değişikliklerin güvenlik standartlarına uygunluğunu sağlamak için büyük öneme sahiptir. Bu sayede, aracının daha az emisyon oranına sahip olması, daha güvenli ve verimli bir ulaşım aracı haline getirilmesi hedeflenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Yapısal Optimizasyon, Topoloji Optimizasyonu, Hafifletme, Koltuk Braketi
1. GİRİŞ
İnsanlar, farklı noktalara daha hızlı ve etkili bir şekilde ulaşabilmek için sürekli olarak yeni yollar aramışlardır. Bunun sonucu olarak tekerlek icat edilmiştir. Tekerleğin icadı ile sürecin şekillenmesine oldukça katkı sağlamış ve ulaşımın gelişiminin hızlanması kapsamında etkili olmuştur. Günümüzde insanlar daha büyük mesafeleri daha kısa sürede kat edilebilmesi beraberinde toplumların daha hızlı gelişimini de sağlamaktadır. Ancak, zamanla araçların boyutları giderek artmıştır. Özellikle endüstriyel devrimle birlikte, araçlar daha karmaşık hale gelmiş ve bunun sonucunda dünya çapında emisyon oranı artarak küresel ısınmaya sebep olmuş ve bunun önüne geçmek amacıyla araçlarda tasarım ve yönetim alanlarında yeni ihtiyaçlar ortaya çıkmıştır. Farklı malzemeler kullanarak daha hafif, daha dayanıklı ve az maliyetli tasarımlar üretilebilmesinin yanı sıra araştırmacılar malzemeyi değiştirmeden belirli kısıtlamalar kullanarak optimum tasarıma ulaşabilecekleri optimizasyon yöntemlerini geliştirmişlerdir. (Kahraman ve Küçük, 2020: 623) Bu durum, araçların üretiminde ve kullanımında sürekli olarak yeni yaklaşımların geliştirilmesini sağlamıştır. Farklı araç tiplerinin çeşitlenmesiyle birlikte, ulaşım endüstrisi sürekli olarak yeniliklere ve geliştirmelere ihtiyaç duymaktadır. Özellikle çeşitli güvenlik standartları da bu kapsamda oluşmuştur.
Rekabetlerin artması sonucu olan bu yeniliklerde araçların hafifletilmesi de önemli bir yer tutmaktadır. Hafifletme işlemi, araçların performansını artırmak, emisyon oranını düşürmek, yakıt verimliliğini sağlamak ve çevresel etkilerini azaltmak için önemli bir çalışmadır. Topoloji optimizasyonu da günümüzde yaygınlaşmaya başlayan hafifletme metotlarından birisidir. Topoloji optimizasyonunun temeli, optimizasyonu gerçekleştirilecek yapı elemanının dış boyutlarında herhangi bir değişiklik olmaksızın, istenen oranda hacim azaltarak, parçanın uygun bölgelerinden, direngenliği mümkün olan yüksek yapının elde edilmesine olanak sağlayacak şekilde malzeme çıkarılmasıdır. Diğer bir deyişle, topoloji optimizasyonuyla hedeflenen, rijitliği maksimum yapan en uygun malzeme dağılımını bulmaktır (Bendsøe ve Sigmund, 2003:1) Topoloji Optimizasyonu sonrasında elde edilen tasarımı daha iyi bir noktaya getirmek için ölçü optimizasyonu ve şekil optimizasyonu yöntemleri uygulanmaktadır. Bu yöntemlerde de parçanın belli bir kesitinin ölçüleri veya o kesitin şekli değiştirilerek tasarım hedefine ulaşılmaya çalışılmaktadır (Öztürk, 2016).
AKİA ULTRA LF12 aracının koltuklarında kullanılan braketlerde ANSYS programı kullanılarak topoloji optimizasyonu ile hafifletme işlemi, R107 regülasyonu referans alınarak gerçekleştirilmiştir. Bu işlem, sadece aracın ağırlığını azaltmakla kalmayarak, aynı zamanda aracın sürüş dinamiğini ve güvenliğini artırmıştır. Hafifletme sürecinde, güvenlik katsayısının dikkate alınması, araçta yapılan değişikliklerin güvenlik açısından bir sorun yaratmayacak şekilde değişikliği sağlanmıştır. LF12 aracı, bu iyileştirme çalışmaları ile daha güvenli, daha verimli ve çevre dostu bir ulaşım aracı haline gelmiştir. Bu tür geliştirmeler, ulaşım endüstrisindeki sürekli ilerlemenin bir göstergesi olarak verilmektedir.
2. MATERYAL VE METOD
AKİA ULTRA LF12 aracının, koltuk braketlerinin topoloji optimizasyonu ile hafifletilme çalışması için R107 regülasyonu dikkate alınarak yapılmıştır. Yapılan hafifletme çalışması toplamda 4 aşamada gerçekleşmektedir. İlk aşamada araç üzerinde kullanılan 4mm kalınlığındaki Görsel 1’ de belirtilmiş olan koltuk braketinin Sonlu elemanlar analizi yapılıp topoloji optimizasyonu yapılmıştır. Sonlu elemanlar modelinde yapılan topoloji optimizasyonu değerlendirilip yeni bir tasarım yapılarak tekrardan analizi yapılmıştır. Braketin ilk kalınlığı 1mm düşürüldüğünde çıkan sonuçları değerlendirmek amacıyla ilk halinin et kalınlığı 1 mm azaltılarak tekrardan sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Ve sonuçlar değerlendirilerek son aşama olan 3mm kalınlığındaki braketin topoloji optimizayon çalışması yapılmıştır.
Görsel 1 4mm Koltuk Braketi
Koltuk braketinde St-37 malzeme kullanılmıştır. St-37 malzemesinin Mekanik özellikleri Çizelge 1’ verilmiştir.
Çizelge 1. St-37 Mazlemesinin Mekanik Özellikleri
| Elastisite Modülü (GPa) | Yoğunluk (kg/m3 ) | Poisson oranı | Kayma Modülü (GPa) | Akma gerilmesi (GPa) |
| 210 | 7850 | 0.3 | 73 | 0.25598 |
Analizin ilk aşamasında regülasyonda belirtilen yolcu ağırlığı, koltuk burçlarının brakete denk geldiği kısımlardan point mass olarak tanımlanmıştır. Sonrasında parçanın kendi ağırlığı, yerçekimi ve bağlı olduğu noktalar göz önüne alınarak sınır koşulları belirlenmiş ve analize tanımlanmıştır. Bu sınır koşulları altında farklı durumlar için analiz ve topoloji optimizasyonları yapılarak nihai tasarıma ulaşılmıştır. Analize dahil olacak olan parçalar analize uygun olarak modellenmiş ve sonrasında gerekli sınır koşulları uygulanarak meshleme işlemi yapılmıştır. Mesh boyut 5mm olarak belirlenmiş olup meshleme işlemi sonucunda parçanın sonlu elemanlar ağ yapısının Node sayısı 112799, element sayısı 107236’dır.
Görsel 2 Analiz Parametreleri
2.1. 4 mm’lik Koltuk Braketi Parçasının Optimizasyonu
Koltuk braketi parçası ilk olarak 4 mm kalınlığında St-37 malzemeden tasarlanmıştır. Tasarım sonucunda parça ağılığı 7,85 kg olduğu tespit edilmiştir. Regülasyon ve sınır koşullar referans olacak şekilde analiz yapılarak sonuçları değerlendirilmiştir. Sonlu elemanlar analizinin çıktıları incelendiğinde parçanın yaklaşık emniyette olduğu tespit edilmiştir. Parça kalınlığı sabit tutularak ve sınır koşulları dikkate alınarak topoloji optimizasyonu yapılmıştır.
Görsel 3 İlk Parçanın Analiz Sonuçları, 4 mm., 2024
Topoloji optimizasyonu sonrasında yük gelmeyen kısımlar tespit edilerek ilk tasarım üzerinde referans oluşturacak şekilde tasarımda değişiklik yapılmıştır. Görsel 4’te yapılan Topoloji Optimizasyon çalışmasının sonucu gösterilmektedir.
Görsel 4 İlk Parçanın Topoloji Optimizasyonu Sonucu, 4mm., 2024
4mm kalınlığındaki koltuk braketinin topoloji optimizasyonu sonucuna göre tasarım revize edilmiştir. Revize edilen koltuk braketi tekrar analiz edilerek sonuçları Görsel 5’te verilmiştir.
Görsel 5 Tasarımı Revize Edilen Parçanın Analiz Sonucu, 4mm., 2024
Tasarımı güncellenen 4mm kalınlığındaki koltuk braketinin Görsel 5’te gösterilen parçanın sonlu elemanlar analiz sonucu değerlendirildiğinde hala emniyetinin yüksek olduğu ve yapılan tasarım sonuncunda ağırlığının 7,85 kg’dan, 6,21 kg düştüğü gözlenmiştir.
2.2. 3 mm’lik Koltuk Braketi Parçasının Optimizasyonu
Bu aşamada braketin bütün halinin et kalınlığı düşürüldüğünde vereceği tepkiyi görmek amacıyla koltuk braketi parçası 4mm et kalığından 3mm et kalınlığına indirilmiştir. Regülasyon ve sınır koşullar referans olacak şekilde Sonlu elemanlar modeli tekrardan oluşturularak analiz yapılmış ve sonuçları değerlendirilmiştir. Görsel 6’da Koltuk braketinin 3mm kalınlığa indirildiğinde dahi emniyette olduğu gözlemlenmiştir.
Görsel 6 İlk Parçanın Analiz Sonuçları, 3 mm., 2024
Değerlendirmeler sonucunda Ansys programının Topoloji Optimizasyonu Modülü kullanılarak koltuk braketinin hangi bölgelerinde tasarım değişikliği yapılacağı gözlemlenmiştir. Görsel 7’ de yapılan topoloji optimizasyonunun sonucu gözükmektedir. Sonuç incelendiğinde tahmin edildiği gibi 4mm kalınlığında yapılmış olan optimizasyon ile aynı bölgelerde tasarım değişikliği yapılabileceği tespit edilmiştir..
Görsel 7 İlk Parçanın Topoloji Optimizasyonu Sonuçları, 3 mm., 2024
4mm kalınlığında yapılmış olan tasarım değişikliği referans alınarak 3mm kalınlığındaki parça tekrardan tasarlanarak Sonlu elemanlar analizi koşturulmuştur. Görsel 8’de yapılmış olan son analizin sonuçları gösterilmektedir.
Görsel 8 Tasarımı Revize Edilen Parçanın Analiz Sonucu, 3 mm., 2024
Sonuçlar değerlendirildiğinde Görsel 9’da gösterilen 3mm kalınlığa indirilmiş tasarımı düzenlenmiş olan parça nihai parça olarak kararlaştırılmıştır. Parçanın 4mm’ lik ilk halinden son haline olan süreçte koltuk braketi 7,85 kg’dan 4,66 kg’a indirilerek yaklaşık olarak 3,19 kg kazanç elde edilmiştir.
Görsel 9 Nihai Tasarım
3. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME
Analiz sonuçları AKİA ULTRA LF12 aracın koltuk braketlerinde hafifletmeyi amaçlamıştır. Bu kapsamda araçta toplamda 6 adet kullanılan ve analizi yapılmış olan koltuk braketinin ilk olarak 4 mm kalınlığında analizi yapılmıştır. Sonrasında yapılan analizin devamı olarak topoloji optimizasyonu yapılmıştır. Topoloji optimizasyonunda çıkan sonuçlar doğrultusunda tasarım güncellenerek tekrar analiz edilmiştir. Son aşamada gerçekleştirilen analiz neticesinde parçanın kalınlığında değişiklik yapılarak tekrar aynı aşamalardan geçmesine karar verilmiştir. Bu doğrultuda parça kalınlığı, 3 mm’ye getirilmiştir. Sonrasında analiz ve topoloji optimizasyonu süreçleri tekrar edilmiştir. Topoloji optimizasyonunun çıktılarına göre tasarım tekrar geliştirilmiştir. Geliştirilen tasarımın nihai tasarım olmasına karar verilmiştir. AKİA ULTRA LF12 aracın koltuk braketinde yapılan bu çalışmada 7,85 kg olan koltuk braketi 4,66 kg’a indirilerek koltuk braketinde 3,19 kg hafifletme yapılmıştır. Tek bir brakette elde edilen sonuç aracın genelinde kullanılan toplamda 6 adet braket üzerinde kullanıldığı hesaplandığında toplamda 19,14 kg kazanç elde edilmiştir.
4. GENEL DEĞERLENDİRME VE SONUÇLAR
Yapılan analizler, AKİA ULTRA LF12 aracının koltuk braketlerinde yapılan hafifletme işlemi ile ilgili önemli bilgiler sunmaktadır. Hafifletme işlemi, koltuk braketlerinin ağırlığını azaltarak aracın genel performansını artırmayı hedeflemiştir. Bu süreçte kullanılan modern mühendislik yöntemleri, özellikle topoloji optimizasyonu gibi, önemli bir rol oynamıştır.
Koltuk braketlerinin hafifletilmesiyle birlikte, aracın performansı artırılmıştır. Daha hafif braketler, aracın genel ağırlığını azaltarak daha iyi yakıt verimliliği, daha az emisyon salınımı ve daha iyi manevra kabiliyeti sağlamıştır. Bu da sürücülerin daha keyifli ve verimli bir sürüş deneyimi yaşamasına yardımcı olmuştur.
Ayrıca, hafifletme işlemi sadece aracın performansını değil, aynı zamanda güvenliğini de artırmıştır. Daha hafif braketler, aracın dengesini korurken, çarpışma durumlarında daha az darbe emilimi sağlayarak yolcu güvenliğini artırmıştır. Bununla birlikte, hafifletme sürecinde güvenlik standartlarına uygunluğun sağlanması büyük önem taşımaktadır. Bu sayede, AKİA ULTRA LF12 aracının güvenlik açısından da en üst düzeyde olduğu garanti altına alınmıştır.
Ayrıca, bu tür modern mühendislik yöntemlerinin kullanılması, gelecekteki ulaşım endüstrisinin gelişiminde büyük bir rol oynayabilir. Topoloji optimizasyonu gibi yöntemler, malzeme kullanımını optimize ederek araçların daha hafif, daha güvenli ve daha çevre dostu olmasını sağlayabilir. Bu da hem bireylerin hem de toplumun genel ulaşım deneyimini olumlu yönde etkileyebilir ve gelecekteki araç tasarımlarının temelini oluşturabilir. Bu nedenle, bu tür mühendislik tekniklerinin ve yeniliklerin daha da araştırılması ve benimsenmesi, ulaşım endüstrisinin sürdürülebilirliği ve gelişimi için hayati öneme sahiptir.
KAYNAKÇA
Bendsøe, M.P., ve Sigmund, O. (2003). Topology optimization, theory, methods, and applications (2nd edition). Berlin: Springer.
Kahraman, F., Küçük, M. (2020), Otomotiv Endüstrisinde Topoloji Optimizasyonu ile Ağırlık Azaltma Uygulaması Üzerine Bir Araştırma, Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, Sayı:20, Sayfa:623-631
Öztürk, U.E., (2016), Döküm Braketlerin Bilgisayar Destekli Tasarım Eniyilemesi için Yeni Bir Yaklaşım, Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Fen ve Mühendislik Dergisi, Cilt:18, No:3, Sayı:54, Sayfa:521-534.
