LEE-Makina Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 19
-
ÖgePiezoelektrik ile tetiklenen valfsiz mikro pompa tasarımı, üretimi ve akışkan debisini etkileyen faktörlerin belirlenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-10)Tez kapsamında, mikro akışkanlar için yapılan çalışmaları destekleyici ve yol gösterici olması adına, kontrol edilebilir sıvı akış hızları sağlayan en önemli mikro akışkan cihazları arasında gösterilen, mikro düzey pompa üzerinde çalışılmıştır. Öncelikle mikro düzey pompalar için genel bir literatür araştırması yapılmıştır. Literatür incelemelerinde mikro ölçülere sahip alanlarda yapılan çalışmaların çoğunlukla sayısal simülasyonlar oldukları görülmektedir. Deney düzeneklerinin kurulumlarının oldukça yüksek maliyetlere sebep olmasının yanı sıra deney düzeneği hazırlamak, mikro ölçekte zorlayıcıdır. Mikro ölçekteki yapıların incelenmesi için teknolojik olarak üst düzey deney düzeneklerini içeren laboratuar alanları gerekmektedir. Bu tezde mikro pompada akışkanı tetikleyecek çalıştırma mekanizması olarak piezoelektrik disk ele alınmıştır. Piezoelektrik kullanım alanlarından olan elektrik enerjisi-mekanik enerji dönüşümlerinde kullanılan mikropompa tasarımı, tasarlanan mikro pompanın üretimi ve üretilen mikro pompa ile akışkan debisi temel çıktı olarak düşünülerek deneyler yapılmış ve bu debiyi etkileyen faktörler incelenmiştir. Bu bilgiler ışığında tez içeriği üç temel başlıkta açıklanabilir; i) tasarım, ii) üretim, iii) deneysel çalışmalar. i) Tasarım için ilk ele alınan konu valf içerip, içermeyecek olmasıdır. Hareketli valflere sahip pompalar, valfler boyunca yüksek basınç düşüşü ve hareketli parçaların aşınması ve yorulması gibi sorunlar içerebilir. Bu ömrün ve güvenilirliğin azalmasına neden olmaktadır. Bu nedenle hareketli parçası olmayan pompalara ihtiyaç duyulmasından dolayı tez kapsamında valf kullanmadan lüle ve yayıcı prensibine dayalı olan mikro düzey bir akışkan pompası tasarlanmıştır. Böylelikle temelde bir pompa odası ve bu pompa odasına akışkan besleyip / boşaltması için lüle ve yayıcı tasarımı yapılmıştır. Diğer bir önemli konu ise akışkanın nasıl tetikleneceğidir. Bu durum için de piezoelektrik disk kullanılmıştır. Piezo malzemenin elektrik akımı ile tetiklenmesi ile aşağı yukarı hareketi sağlanmıştır. Bu hareket pompa odasında basınç oluşturarak akışkanın hareketi sağlanmıştır. Tez kapsamında 80 μm derinliğe ve 15 mm çap değerine sahip pompa odası, ayrıca açısı 9.4 °, uzunluğu 2.82 mm olan lüle ve yayıcı tasarlanmıştır. ii) Mikro düzey üretim yöntemleri hem pahalı hem de özel çalışma alanları gerektirmektedir. Ayrıca, tolerans değerleri çok hassas değerler içermektedir. Büyüklükler mikro düzeyde olduğu için üretimi de oldukça zor süreçlere sahiptir. Üretim alanı için SABANCI üniversitesinde, "temiz oda" adı verilen özel laboratuvarlar kullanılmıştır. Üretim yöntemleri aşındırma çeşidine göre 2 temel sınıfa ayrılmaktadır: Islak aşındırma ve plazma aşındırma. Kuru aşındırma terimi de genellikle plazma aşındırma ile eş anlamlı olarak kullanılmaktadır. Tez kapsamında kullanılan kuru aşındırma yöntemleri adım adım ele alınmıştır. Tezin amaçlarından biri de kuru aşındırma ile üretim adımlarını önceden planlayarak hem üretim süresini hem de üretim maliyetini minimum tutma yöntemini elde etmek olmuştur. Burada bahsedilen amaç, silikon plakanın üst yüzeyine yerleştirilecek olan piezoelektrik tetikleyici disk yuvası ve akışkanın pompa odasına giriş/çıkışını sağlayacak kanalların aşındırma işlemi sırasında avantaj olarak sağlanmıştır. Bu avantaj aşındırma yöntemi için kullanılan yöntem ve aşındırma esnasında kullanılan maske çeşitleridir. Bu iki temel avantaj sayesinde toplam üretim süresinde ciddi bir zaman kazanılmıştır. Ayırca bu adımlar ile üretim için harcanan toplam maliyet de azaltılmıştır. Maliyet azaltımında en önemli etkenlerden biri kuru aşındırma yöntem (DRIE) cihazının kullanım süresinin azaltılmasıdır. iii) Kuru aşındırma yöntemi ile en kısa sürede üretilen mikro pompa silikon plaka yapı, cam lamel, PZT tetikleyici elemanı ve PDMS sızdırmazlık elemanı ile birleştirilerek mikro düzey bir pompa elde edilmiş ve bu mikro pompa ile debi değerini etkileyen faktörler için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Temelde dört parametre detaylı olarak incelenmiştir; sürüş frekansı, uyarma voltajı, frekans dalga tipi ve çalışma sıvısı. Sürüş frekans değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, akış debisinin mikro pompanın rezonans frekans değerine (150 Hz) kadar arttığı ve bu frekans değerinden sonraki artan frekans değerleri ile akış debisinde keskin bir şekilde azalma görülmüştür. Uyarma voltaj değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, 𝑉𝑝−𝑝 değeri 10 [V]'den 60 [V]'ye yükseltildiğinde, bu değişim ile birlikte akış debi değerinde de düzenli bir artış gözlemlenmiş ve akış debi değeri 16 μl/dk'dan 52 μl/dk'ya yükselmiştir. Farklı dalga türlerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, dalga türlerinden en büyük akışkan debi değeri "kare dalga" türü ile sağlanırken bunu sırası ile "sinüs dalga" ve "üçgen dalga" türleri takip etmiştir. Farklı viskozite değerlerine sahip olan çalışma sıvılarının akışkan debisi üzerine etkisi incelendiğinde, aralarında en düşük viskozite değerine sahip olan metanolün, damıtılmış su ve etanol ile karşılaştırıldığında daha yüksek akış debisi sağladığı elde edilmiştir. Tez kapsamında yürütülen çalışma, valf kullanmadan mikro kanallar kullanılarak sıvıların taşınmasının pompalama ilkeleri hakkında öncü niteliktedir. Parametrik etkileri ortaya koyması ve tasarım kılavuzları sağlaması sayesinde bu çalışma, ilaç dağıtımı gibi birçok uygulamada kullanılacak valfsiz piezoelektrik mikro pompaların tasarımı ve geliştirilmesi için bir referans potansiyeli taşımaktadır. Mikro düzey yapıların üretilmesi, üretilen bu mikro düzey cihazlardan geçen akışları ve bu cihazlarında MEMS (Mikro Elektro Mekanik Sistemler) uygulamalarındaki yerini daha da geliştirmek ve gelecekteki araştırmalar için tasarım, üretim yöntemleri ve yapılan deneysel çalışmalar alanında önerilerde bulunulmuştur.
-
ÖgeDynamic stability analysis and parametric investigation of nonlinear friction-induced vibrations on a mass-sliding belt experiment(Graduate School, 2023-10-20)Physical mechanical systems exhibit different nonlinear behavior, which arise due to elastic, friction, kinematic, and clearance nonlinearities. Hence, the dynamic investigation of these systems with analytical approaches becomes either more complicated or impossible. Though, as opposed to linear systems, inherent nonlinearities in mechanical systems lead to several interesting dynamic responses, such as dynamic instability, limit cycle oscilations, bifurcations, etc. Hence, this dissertation aims to investigate the dynamic response behavior of a mechanical system, which is inspired by the problem known as brake squeal phenomenon. This problem is implemented on a simplified yet controlled mass-sliding belt experiment, which exhibits friction, clearance and kinematic nonlinearities. Brake squeal as a dynamic instability phenomenon is a major comfort problem observed in automotive disc brake systems. The brake squeal problem is studied through experimental, numerical, analytical and meta-model approaches. In this context, the dissertation is divided into three main parts in order to investigate the source mechanism of brake squeal and to predict the brake squeal noise generation. First study is aimed to investigate the effects of certain operational parameters on squeal initiation. The problem is investigated both experimentally and mathematically from the perspective of system stability. Hence, a mass-sliding belt experiment is designed and built, with a focus on three key operational parameters (preload, motor angular speed and angular configuration). Experiments are conducted at a wide range of these operational parameters, and the data is investigated in both time and frequency domains. The contact stiffness, which is a required parameter for the mathematical model, is determined with modal tests performed on the experiment. Corresponding data collected from the experiment is also used to obtain the characteristics of the friction coefficient at the mass and sliding belt contact interface. Next, a nonlinear mathematical model of the experiment is developed, though it is then linearized through certain assumptions for the investigation of the system stability. Data reveal local dynamic amplifications in time histories of certain operational parameters, which lead to the emergence of super-harmonics in frequency domain. The effects of key operational parameters on system stability are observed. It is concluded that there is a good correlation between the model predictions and experiments, and an extensive understanding about the effects of key operational parameters on system stability is obtained. Finally, stability analysis based on linearized model is validated with the experimental data, and the critical values of dynamic friction coefficient and motor angular speed are obtained. The main objective of second study is to investigate the effect of pad stiffness on the dynamic behavior of brake squeal problem. Hence, a two degree of freedom masssliding belt model is developed where the friction model at the mass and sliding belt interface derived through experiments. It is observed that the experimentally obtained friction model resambles Stribeck type friction model characteristics. This model consists of a mass (brake pad), which is attached to the common ground via four linear springs, and a sliding belt (brake disc) under the mass. Furthermore, two of the linear springs are attached to the mass with arbitrary angles. The nonlinear model is linearized again with some assumptions to check the system stability through complex eigenvalue analysis. The linear stability analysis reveals that the system exhibit mode coupling behavior as a physical mechanism that initiates the squeal noise. Furthermore, it is observed that the value of the critical pad stiffness (value of stiffness at which instability begins) decreases with the preload applied through the springs on the mass. On the contrary, the value of critical pad stiffness is found to be increased as the belt velocity increases. The results of the linear stability analyses are compared to the numerical solution of the nonlinear governing equations, and it is observed that the results of linear stability analyses are in accordance with the numerical solutions. Third study aims to investigate the predictability of a friction-induced nonlinear dynamic behavior on a simplified yet controlled laboratory experiment through the fuzzy logic approach. Experiments are carried out on the mass-sliding belt experiment to observe the effects of several operating parameters on the occurrence of nonlinear dynamic behavior. Experiments are performed at various levels of these operating parameter, and the data are collected. Then, fuzzy logic model architectures with different membership functions are built, where these operating parameters are assumed as the input parameters. The output of the fuzzy logic model architecture is defined as a new parameter, which is called as squeal index. Finally, a fuzzy logic model with a 96.97% prediction accuracy is obtained. Hence, it is shown that the proposed model can provide insight about the dynamic behavior of the system of interest without solving the nonlinear governing equations. Furthermore, the proposed model allows the prediction of the system state at operating conditions where experimentation is not possible, and it can be used for the determination of the critical operating parameters at which the system behavior switches from one state to another.
-
ÖgeRobot kolu tasarımında dinamik esnek yapı modeli kullanarak tahrik grubu ve mekanik yapının tümleşik optimizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-06-12)Robot kolu tasarımı yapılırken ilk öncelik, istenen dinamik başarımı ve istenen yapı mukavemetini sağlayan en hafif tasarımı elde etmektir. Bu başarının belirleyicisi ise seçilen tahrik grubu ve uzuvların yapılarıdır. Robot kolunda tahrik grubu ve uzuvlar, dinamik sistemle birlikte hareket halindedir. Bu da tahrik grubunu hem sisteme güç sağlayan hem de güç harcayan bir hale getirir. Daha güçlü bir tahrik grubu sistemin dinamik başarımına olumlu katkıda bulunacaktır ama aynı zamanda kütle artışı sebebiyle sistemin hem dinamik başarımına olumsuz etki sunacak hem de yapıya gelen yükü arttıracaktır. Bunun devamında ise yapıyı daha sağlam hale getirmek için kalınlığı arttırılmak zorunda kalınacak ve bu da tekrar dinamik başarıma olumsuz etki olarak geri dönecektir. Sonuç olarak bu kadar başarım düşüşü tekrar tahrik grubunun revize edilmesine sebep olabilecektir. Bu kısır döngü aslında bir robot kolu tasarımının ne kadar karmaşık olduğunu ve defalarca iterasyona ihtiyaç duyduğunu göstermektedir. Bu yöntem sonuçta optimum değil ama sadece beklentileri karşılayabilen bir tasarımın elde edilmesini sağlamaktadır. Bu karışık ve zorlu tasarım şekli, bir optimizasyon yöntemiyle sorunun çözümlenmesi gerektiği fikrinin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Bu tez çalışmasında, tahrik grubu ve yapı et kalınlığının tümleşik optimizasyonu yapılarak optimum robot kol tasarımın elde edilmesi hedeflenmiştir. Önerilen yöntemi göstermek için 3 serbestlik dereceli bir robot kolu seçilmiştir. Tahrik grubunun seçileceği kapsamlı bir tahrik grubu kütüphanesi kurulmuştur. Bu kütüphanede 31 farklı Maxon motor ve 675 farklı Harmonic Drive dişli kutusu bütün teknik verileri ile birlikte yer almaktadır. Uzuvların yapısı ise birer boru olarak seçilmiştir. Optimizasyonun belirlemeye çalıştığı değişkenler tahrik grubu (motor ve dişli kutuları) ve boru tipindeki uzuv yapılarının et kalınlıklarıdır. Çalışmada 2 farklı yöntem kullanılmıştır. Bunlardan birincisi deneme yanılma prensibine dayanan buluşsal bir optimizasyon algoritmasıdır. Amaç fonksiyonu tektir ve toplam robot kütlesinin en aza indirilmesidir. Robottan beklenen dinamik başarım tasarım parametresiyken, robotun dinamik hareket sırasında yapıların sehiminden dolayı yapacağı en büyük uç konum hatası ise optimizasyon probleminin kısıtı olarak önceden belirlenmiştir. Bir başka deyişle, kısıtlara bağlı tek amaç fonksiyonu olan bir optimizasyon problemi oluşturulmuştur. Optimizasyon döngüsü ise amacı robot kütlesini en aza indirmek olduğu için kısıt ve tasarım parametrelerini elde edene kadar tasarım kütlesini arttırmakla görevlidir ve deneme yanılma yöntemine dayalıdır. Optimizasyon döngüsü Matlab ortamında oluşturulmuştur. Tahrik grubu kütüphanesi matris formunda yine Matlab ortamına aktarılmıştır. Tahrik grubu yeterliliğini gözlemlemek için Simmechanics ortamında katı yapı dinamik benzetim ortamı kurulmuştur. Uzuv yapılarının dinamik hareket sırasında ne kadar sehim yapacağını ve bu sehimlerden dolayı uç konumda oluşacak hatayı gözlemlemek için ise ayrıca esnek yapı dinamik benzetim ortamı çoklu parametre tahmini yöntemiyle yine Simmechanics ortamında kurulmuştur. İlk yöntemin tek amaç fonksiyonuna sahip olması yüzünden ancak tekil bir sonuç verebiliyor olması, aynı zamanda katı ve esnek yapı benzetim ortamlarının ayrı ayrı çalışıp tahrik grubunu ve yapıyı ardışık olarak birbirinden bağımsız değerlendirmesi; çalışmanın biraz daha ileri taşınması gerektiğini ortaya çıkarmıştır. Ardından, çoklu amaç fonksiyonlu bir problemin oluşturulması ve eş zamanlı benzetim ortamında hem tahrik grubunun hem de yapıların eş zamanlı optimize edilmesi fikirleri ortaya çıkmıştır. Bu doğrultuda, ikinci yöntem olarak çoklu amaç fonksiyonu oluşturup baskılanmayanları sıralayan genetik algoritma-II (BSGA-II) ("Non-Dominated sorted genetic algorithm-II, NSGA-II") yöntemi kullanılarak Pareto optimum çözüm kümesi elde edilmiştir. Bu yöntemin kazançlarından ilki yapılarda meydana gelen sehimlerden dolayı dinamik hareket sırasında uç konumda oluşan hataların en büyük değeri bir kısıt olmaktan çıkarılıp, en aza indirilmek üzere amaç fonksiyonuna dönüştürülmesidir. Bu sayede birincisi toplam robot kütlesi, ikincisi de uç konum hatası olmak üzere iki adet en aza indirilmek istenen amaç fonksiyonları oluşturulmuştur. Böylece, artık sadece kısıtları karşılayan tekil bir sonuç yerine iki amaç fonksiyonuna da hizmet eden ve tasarımcıya seçme imkanı sunan bir Pareto optimum çözüm kümesi elde edilmiştir. Bu yöntemdeki diğer kazanç ise, ilk yöntemdeki katı yapı dinamik benzetimin ortadan kaldırılıp hem tahrik grubunun hem de yapıların sadece esnek yapı dinamik benzetim ortamında eş zamanlı değerlendirilmesine olanak tanımasıdır. Bu sayede dinamik hareket sırasında meydana gelen sehimlerin oluşturduğu titreşim ve iç kuvvetlerin dinamik başarımda (ihtiyaç duyulan torkun artması) meydana getirdiği olumsuz etkinin de gözlemlenmesi sağlanmış ve daha gerçekçi bir benzetim ortamı kullanılmıştır. Her iki yöntemin detaylı hallerine ve her ikisi için yapılan örnek optimizasyon sonuçlarına tez içerisinde yer verilmiştir. Yapılan çalışmaların literatüre olan katkılarından ilki esnek yapı dinamik benzetim ortamının kullanılması ile yapı ve tahrik grubunun birbirlerine olan etkisinin de gözlemlenebildiği eş zamanlı bir benzetim ortamının oluşturulmuş olmasıdır. Diğer katkı ise geniş bir tahrik grubu kütüphanesinin bu optimizasyon döngüsüne entegre edilmesidir. Ayrıca, optimizasyon algoritması tasarım parametreleri ve kısıtları ile tamamen değişkenlere bağlı olarak oluşturulmuş, bu sayede birçok farklı ölçüde robot tasarımının yapılabilmesine olanak sağlarken, sunduğu sonuçların optimum olduğunu da garanti etmektedir. Son olarak yöntem baskılanmayanları sıralayan genetik algoritma-II ile desteklenmesi sayesinde çoklu amaç optimizasyon problemine Pareto optimum çözüm kümesini sunarak tasarımcıya seçim yapma hakkı vermektedir
-
ÖgeImproving mechanical properties of additive manufacturing products using novel infill and slicing methods(Graduate School, 2023-08-22)In recent years, additive manufacturing (AM) has drawn significant attention and interest from both academia and industry due to its remarkable advantages. However, one critical challenge in AM is tunability of mechanical properties for AM parts. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel infill and slicing methods. G-Lattices. Lattice structures embedding in a solid model play a crucial role in additive manufacturing (AM) for reducing manufacturing cost/time and improving (mechanical, acoustic and etc.) properties of the printed parts. Manually generated lattice structures consist of multiple struts, and their structural properties differ according to the strut shapes and topology. However, there are limited type/numbers of strut-based lattice structures, and therefore, this paper introduces novel lattice structures that are called G-Lattices and a method for generative synthesis of G-Lattices. Given AM, user, and geometrical constraints, G-Lattices can automatically be generated via a particle tracing algorithm, which places/moves particles in a lattice unit cell. Sweeping a sphere along the particle trajectories forms G-Lattices. Two alternative tracing methods are proposed in this work; one using straight and the other via curved struts. Numerous G-Lattices can be created using these techniques in a short time. Users can adjust G-Lattice density in a unit cell, strut thickness, strut shapes (i.e., straight or curvy), and angle between struts in order to control the physical/mechanical properties of G-Lattices (to some extent). As proof of concept, several G-Lattices are manufactured through an AM machine. Additionally, the proposed G-Lattice synthesis method is customized for the models under vertical loading. The G-Lattices obtained in this way are validated through finite element method experiments and have greater strength over volume ratios compared to conventional lattice structures. An extension of G-Lattices (i.e., reinforced G-Lattices) demonstrating better mechanical performance under inclined (compression) loading conditions are also introduced. For different inclined loads, separate reinforced G-Lattices are first optimized, and a G-Lattice library is formed. For a part under loading, displacement vectors in each unit cell (cubic domains within the inner region of the part) are then extracted. Based on these vectors, (pre-optimized) reinforced G-Lattices are selected from the G-Lattice library and utilized (as infills) in the unit cells. This process is called G-Puzzling. As a proof of concept, parts under three different inclined loading conditions are infilled using reinforced G-Lattices and investigated based on stiffness-over-volume ratios. According to these experiments, the resulting parts, onIn recent years, additive manufacturing (AM) has drawn significant attention and interest from both academia and industry due to its remarkable advantages. However, one critical challenge in AM is tunability of mechanical properties for AM parts. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel infill and slicing methods. G-Lattices. Lattice structures embedding in a solid model play a crucial role in additive manufacturing (AM) for reducing manufacturing cost/time and improving (mechanical, acoustic and etc.) properties of the printed parts. Manually generated lattice structures consist of multiple struts, and their structural properties differ according to the strut shapes and topology. However, there are limited type/numbers of strut-based lattice structures, and therefore, this paper introduces novel lattice structures that are called G-Lattices and a method for generative synthesis of G-Lattices. Given AM, user, and geometrical constraints, G-Lattices can automatically be generated via a particle tracing algorithm, which places/moves particles in a lattice unit cell. Sweeping a sphere along the particle trajectories forms G-Lattices. Two alternative tracing methods are proposed in this work; one using straight and the other via curved struts. Numerous G-Lattices can be created using these techniques in a short time. Users can adjust G-Lattice density in a unit cell, strut thickness, strut shapes (i.e., straight or curvy), and angle between struts in order to control the physical/mechanical properties of G-Lattices (to some extent). As proof of concept, several G-Lattices are manufactured through an AM machine. Additionally, the proposed G-Lattice synthesis method is customized for the models under vertical loading. The G-Lattices obtained in this way are validated through finite element method experiments and have greater strength over volume ratios compared to conventional lattice structures. An extension of G-Lattices (i.e., reinforced G-Lattices) demonstrating better mechanical performance under inclined (compression) loading conditions are also introduced. For different inclined loads, separate reinforced G-Lattices are first optimized, and a G-Lattice library is formed. For a part under loading, displacement vectors in each unit cell (cubic domains within the inner region of the part) are then extracted. Based on these vectors, (pre-optimized) reinforced G-Lattices are selected from the G-Lattice library and utilized (as infills) in the unit cells. This process is called G-Puzzling. As a proof of concept, parts under three different inclined loading conditions are infilled using reinforced G-Lattices and investigated based on stiffness-over-volume ratios. According to these experiments, the resulting parts, on average, exhibit more than %30 better mechanical performance compared to FBCCZ (a conventional lattice structure). A machine learning procedure is further proposed in this work to predict the mechan- ical properties of G-Lattices under specific loading conditions. 20000 G-Lattices are first generated using a uniform sampling approach. Strength-over-weight ratios for the G-Lattices are obtained using finite element analysis. Furthermore, voxelized data of G-Lattices are exploited as feature vectors in the machine learning step. A linear regression model is then computed using these G-Lattices. However, the model is inaccurate, particularly for the G-Lattices with ratios greater than five. Therefore, 14000 more G-Lattices are further sampled to increase the number of G-Lattices in this range. For each of the two clusters (G-Lattices with ratios greater/equal to or less than five), a separate linear regression models are calculated. According to the experimental results, approximately 70% of G-Lattices have errors less than/equal to 5% prediction errors, and the mean absolute (relative) percentage error for 40000 G-Lattices is 6.4% Parametrized helical printing. AM commonly utilizes slicing techniques to create layers of a model, in which material is deposited layer by layer. However, the slicing method directly affects the mechanical properties of the printed parts. This paper introduces a new AM technique (named Helical5AM), which employs print paths having helical geometry for five-axis AM. Given an object to be printed, a base (supporting helical print paths) with a center curve and helix parameters (such as lead angle and turn direction), a complete volumetric coverage using helical print paths is obtained. Collision-free tool orientation is then generated using a probabilistic roadmap algorithm for depositing material along the helical print paths by avoiding tool interference with obstacles. As a proof of concept, print paths (of models) with orientation information obtained using the proposed algorithms are simulated using a five-axis AM simulation software, and the material deposition process in Helical5AM is demonstrated using a five-axis AM machine. Furthermore, compression tests are performed on the printed parts for evaluating the effects of helix lead angles of the helical print paths on the mechanical properties of the printed parts. It has been confirmed that the mechanical behavior of a printed part is predictable and tunable according to the helix lead angles of the print paths. Helical5AM can potentially empower engineers to obtain AM parts with desirable mechanical properties. Optimization of helix lead angles of helical print-paths for a part under a certain loading conditions is also investigated. The part is first decomposed into layers, which are covered by helical print paths. The layers are meshed conformally using hexahedral elements. According to lead helix angles, material orientations are given to these elements. Finite element analysis (FEA) is then carried out for investigating the mechanical properties of the part. An optimization approach is coupled with FEA to optimize lead helix angles for the helical print paths. The effectiveness of the proposed approach is verified via multiple experiments with various loading conditions. The results indicate that the optimized parts demonstrate better mechanical properties.
-
ÖgeModeling of two-phase blood flow and fluid-structure interactions in cerebral aneurysms(Graduate School, 2022-12-16)This thesis is composed of 7 chapters, each of them dealing with different aspects of numerical tools (e.g., CFD and FSI) for prediction and assessment of cerebral aneurysm rupture. Computation fluid dynamics has been widely used to investigate the effect of single-phase blood model in the risk assessments, but no further application of two-phase blood model and FSI were available. For this reason, the thesis was proposed to evaluate further applications, with the aim of better understanding of the diseases. Rupture risk assessment can be classified as (a) Flow properties (e.g., inflow penetration depth, flow complexity and flow impingement zones) and (b) wall shear stress based hemodynamic indexes (e.g., OSI and TAWSS). Chapter 1 is introductory and reviews the cerebral aneurysms, the mechanisms leading to the disease, and current computational tools in order to predict and assess of aneurysm rupture. Chapter 2 gives a very deep understanding about the mathematical theory behind the single-phase, two-phase flow and FSI. Considering the non-Newtonian nature of blood, two non-Newtonian viscosity models (Casson for single-phase and Carreau– Yasuda for two-phase blood assumption) are discussed here. Then it proceeds with FSI concept where an appraisal of the FSI approach and its implementation, the governing equations regarding the single-phase blood assumption and mechanics of deformable vessel structure are discussed in detail. One of the most important aspects of this thesis is to use open-source solvers for numerical implementations. Regarding the implementation of single-phase and two-phase blood CFD analysis, OpenFOAM is used which is free and open-source software for CFD from the OpenFOAM Foundation. For the implementation of an FSI problem, the preCICE multi-physic coupling toolkit is used in order to couple OpenFOAM (FVM CFD solver) and CALCULIX (FEM structure solver). Furthermore, two wall shear stress based hemodynamic indexes (TAWSS and OSI) are introduced which can be used in order to make a bridge from numerical results to rupture risk assessments. Two patient-specific cerebral aneurysms are given in chapter 3 where the first patient was a female of 41 years old, who had anterior communicating artery aneurysm with concomitant subarachnoid hemorrhage and left frontobasal hematoma, and the second patient was a female of 62 years old, who had dolichoectatic carotid and vertebral arteries. The 3D images in digital imaging and communications in medicine format were anatomically remodeled into patient-specific 3D geometries in the STL format. The FVM mesh, boundary conditions and numerical implementations used for CFD and FSI analysis of two aneurysms are discussed in detail in this chapter. Chapter 4 investigates the blood transport in the cerebral aneurysm using single-phase and two-phase models. In two-phase Euler-Euler approach, the blood is represented by two interpenetrating continua where the dispersed red blood cells of non-Newtonian characteristics are suspended in the continuous Newtonian plasma. The results of two phase model, where the RBCs phase is assumed to be Carreau–Yasuda fluid, are validated against the experimental data. Furthermore, comparative analyses were performed in two patient-specific aneurysms, which indicated that for a given pulsatile flow rate, the two-phase blood approach has vitally advantageous over the single-phase assumption, and revealed a deeper inflow penetration, more complex flow structures and denser flow diversion zones in the aneurysm sac. It was obvious that the high OSI values calculated by the two-phase model covered much wider regions than the single phase predicted. It was equally crucial that these regions coincided with the TAWSS values lower than the threshold that the single-phase approach can predict. Apparently, the single-phase model failed to spot sites of high rupture risk. The results were further exploited to identify the RBCs aggregation regions as, for example, the concave structures and narrow paths in the saccular aneurysms, for their possible use as the precursors of the thrombus formation. Chapter 5 investigates the effect of variations in the haematocrit level on the blood flow in two cerebral aneurysms using the two-phase Euler-Euler approach and the Carreau–Yasuda viscosity model. The results showed that the maximum inflow jet penetration was achieved at the lowest haematocrit level, and this accompanied with strong flow impingements at the narrow corners deep inside the aneurysm sac and undesired complex flow patterns spreading from entrance to the aneurysm dome. The decrease in H level also changed the characteristics of the velocity profile inside the dome from a single- to a double-peak profile, which increased the likelihood of a daughter aneurysm formation. Furthermore, the TAWSS and OSI indicators showed that lowering the H values could change an initially low-risk case into a very high rupture risk situation. The two-phase Euler-Euler approach was used to enlighten the effect of variations in the haematocrit level to cure the blood flow issue in two cerebral aneurysms. A comprehensive description of the two-phase Euler-Euler approach and the relevant viscosity specifications were described in the previous chapter. The same patient specific aneurysms and the numerical implementations of the two-phase model discussed before were used here. However, this chapter presents an appraisal of the approach and interpretations of the flow complexity, features of the inflow diversion zone, penetration depths and the shear stress parameters based on varying Hematocrit values. Chapter 6 investigates dynamics of the wall movements of a patient-specific aneurysm dome using the interactions of the non-Newtonian blood flow and the deformable vessels. The patient under consideration had an anterior communicating artery aneurysm with a concomitant subarachnoid hemorrhage and left frontonasal hematoma. A finite volume CFD solver was used with a 3D mesh of roughly 300000 cells and three boundary patches; the inlet, deformable walls and outlets. A linear elastic material model was considered for the deformation of the aneurysm wall and, in the structural computations, a finite element solver was employed with a solid domain of approximately 12000 elements. An open-source code was exploited for the coupling between the CFD and finite element solvers. Results showed that at the peak systole, the vortical structure of the flow in the aneurysm dome was complicated. Furthermore, the instabilities in the flow field produced intense shear forces, due to which a possible weakening of the wall material will certainly lead to an increase in the risk of the rupture and bleeding. The non-uniformity of the flow field acquired large values of the von Mises stresses, resulting in prominent wall displacements, which also matched to the high OSI and low TAWSS values. The maximum displacements exhibited a non-stationery movement everywhere in the dome though mostly remained in the region of the impingement. And finally, chapter 7 covers conclusions and remarks respectively.