Üretken tasarım metodu ile yük kancası tasarımının optimizasyonu

Abstract

ük kancaları, inşaat ve lojistik gibi çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılan önemli mekanik bileşenlerdir. Bu bileşenlerden beklentimiz, konteynerler ve diğer mekanik ekipmanlar gibi ağır yükleri taşıyabilmesidir. Özetle, ağır yükleri kaldırmak ve taşımak için tasarlanmışlardır. Sahada hizmet verirken, aynı zamanda güvenlik ve verimlilik gereksinimlerini de karşılamalıdır. Endüstriler birçok alanda ilerledikçe, daha güçlü, daha hafif ve daha ekonomik yük kancalarına olan ihtiyaç artmaktadır. Geleneksel vinç kancası tasarımları, temel olarak analitik hesaplamalara dayanır; bu da önemli geometrik kısıtlamalar getirir ve ağırlık dağılımı ile malzeme verimliliği açısından optimal olmayan aşırı güvenlikli tasarımlara yol açar. Grafik işlem yeteneklerinin gelişmesiyle birlikte, özellikle yapay zeka destekli optimizasyon teknikleriyle desteklenen son hesaplama yöntemlerindeki ilerlemeler, bu temel bileşenlerin tasarımını ve performansını iyileştirmek için yeni fırsatlar sunmaktadır. Üretken tasarım, yapay zeka algoritmalarını kullanarak birden fazla tasarım iterasyonu oluşturan ve belirlenen kısıtlamalar ile hedeflere dayalı optimize edilmiş çözümler üreten nispeten yeni bir yaklaşımdır. Yalnızca malzeme çıkarımına odaklanan geleneksel topoloji optimizasyon yöntemlerinin aksine, üretken tasarım, malzeme eklenmesi ve yeniden dağıtılmasını sağlar, bu da yapısal olarak daha iyi ve üretilebilir tasarımlar ortaya çıkarır. Öte yandan üretken tasarım ve 3 boyutlu yazıcıların gelişimi birbirini karşılıklı olarak besleyen ve hızlandıran bir döngü yaratmıştır. Katmanlı üretim (additive manufacturing) sayesinde üretken tasarımın sağlayabildiği üretilmesi zor veya eskiden imkansız olan optimize edilmiş organik tasarımların üretilmesi mümkün kılınmıştır. Yani bu iki teknolojinin birbiriyle olan etkileşimi bir tür kendi kendine güçlenen döngü oluşturmuştur. Bu yüksek lisans tezinde, DIN15401 standartlarında NR025 numaralı P Sınıfı St-52-3 malzemeden sıcakta dövme yöntemi ile üretilmiş tek ağızlı basit kanca üzerinde çalışmalar yapılmıştır. İlgili kanca önce DIN 15401 standardının belirlediği sınırlar çerçevesinde nominal ölçülerde 3 boyutlu olarak Solidworks yazılımında çizilmiştir. Çizilen yük kancası daha sonra sonlu elemanlar yazılımı ile ağ yapısı oluşturulup maksimum 10 KN yüke kadar yüklenmiştir. Çıkan sonuçlar detaylı bir şekilde irdelenerek yük kancasının en kritik kesiti olan A-B kesiti boyunca gerilmelerin yönü ve değerleri incelenerek ilgili malzemenin akma değerleri ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma neticesinde tahmini olarak en çok malzeme azaltma işleminin yapılabileceği kısımlar belirlenmiştir. Daha sonra sonlu elemanlar modelinin doğrulanması amacıyla A-B kesitinin iç ve dış yüzey noktalarına dikey ve yatayda tek noktada ölçüm yapabilen rozet tipi gerinim ölçerler yerleştirilmiştir. Kanca belirli bir yük aralığında yüklenerek yüke karşılık gelen iki yöndeki gerinim yüzdesi değerleri elde edilmiştir. Bu değerler aynı yük aralığında yüklenen sonlu elemanlar modelinin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmanın ardından Taguchi metodunun belirlediği limitler arasında malzemenin elastisite modülü ve possion oranı değiştirilerek, test ile analizdeki gerinim değerlerinin birbirine en yakın olduğu varyasyonun elastisite modülü ve Poisson oranı bulunmuştur. Doğrulanan SEM (Sonlu Elemanlar Metodu) modeli ve test sonucuna en yakın malzeme fiziksel özellikleri ile Fusion 360 Üretken Tasarım aşamalarına geçilmiştir. Yük kancasının gerilme dağılımına göre en yüksek malzeme kazancının sağlanacağı hacim belirlenmiştir. Belirlenen hacim, kısıtlamalar ve sınır koşulları tanımlanarak programa tanıtılmıştır ve çalıştırılmıştır. İlgili yazılım belirtilen sınırlar çerçevesinde en uygun 4 adet tasarımı, üretilebilecek yöntemler ile birlikte sunmuştur. Önerilen tasarımların ağırlıkları, orjinal yük kancası tasarımının ağırlığı (640 gr) ile karşılaştırılmıştır. En düşük ağırlık kazancı %38,1 ile üçüncü alternatifte, en yüksek ağırlık kazancı ise %46,5 ile ikinci alternatifte olduğu görülmüştür. En yüksek ağırlık kazancını sunan ikinci alternatifin doğrulanması amacıyla ayrı bir sonlu elemanlar modeli yapılmıştır ve yüksek çözünürlükte ağ yapısı oluşturulmuştur. Maksimum gerilme 281,67 MPa olarak gözlemlenmiştir ve akma sınırının (315 MPa) altındadır. Daha sonra kancanın serbest ucu ile C-D kesiti arasında bir iyileştirme yapılmıştır. Malzeme bütünlüğünü sağlayıp bu kısımdaki güvenliği artırmak amacıyla koruma geometrisi revize edilmiştir ve beşinci alternatif oluşturulmuştur. Bu alternatifte %39.4 ağırlık kazancı sağlanmıştır. Bu çalışmada önerilen alternatif beşinci alternatif olmuştur. Sonuç olarak bu yüksek lisans tez çalışması, üretken tasarım metodu uygulanarak, geleneksel tasarıma sahip yük kancasının %39,4'e varan ağırlık kazancı ile yeniden tasarlanabileceğini ortaya koymuştur.

Crane hooks are important mechanical components which are commonly used in various industries, such as construction and logistics. These components must be capable of carry heavy weights like containers and other mechanical equipment. In summary, they are designed to lift and transport heavy loads. While it is serving in the field, it should also meet safety and efficiency requirements. As industries progress in many fields, there is a growing need for load hooks that are stronger, lighter, and more economical. Traditional crane hook designs are primarily based on analytical calculations, which impose significant geometric constraints and lead to conservative designs that may not be optimal in terms of weight distribution and material efficiency. Recent advances in computational methods with the help of improving graphical processing capabilities, particularly artificial intelligence driven optimization techniques, provide new opportunities for improving the design and performance of these essential components. Generative design is relatively new approach that uses AI algorithms to create multiple design iterations and produce optimized solutions based on determined constraints and objectives. Unlike conventional topology optimization methods, which focus solely on material removal, generative design allows for both material addition and redistribution, resulting in structurally better and more manufacturable designs. On the other hand, the development of generative design and 3D printing has created a mutually reinforcing and accelerating cycle. Additive manufacturing has enabled the production of complex, optimized organic structures that were previously difficult or even impossible to manufacture using traditional methods. In this sense, the interaction between these two technologies has formed a self-reinforcing feedback loop. Main motivation of proposed project is based on limitations that we had from past to the present. Analytical approach was conventional method to improve existent designs and to conduct design optimization related studies. Considering current capabilities, growing finite element methods and their solvers, on top of that, artificial intelligence-based software being implemented to these methods, it is vital to engage with these methods and take advantage of these opportunities to improve current designs and re-think over the limitations that we had for years. In this direction, generative design offers a new solution to these challenges by integrating artificial intelligence-driven algorithms that simultaneously optimize material, geometry and manufacturability. This master thesis focuses on a single-hook, manufactured by hot forging from P-grade St-52-3 steel material in accordance with DIN 15401 standards and NR025 norms. Initially, the hook was modeled as 3D using SolidWorks, adhering to the nominal dimensions specified in the DIN 15401 standard. After this, this model was meshed and subjected to a load of up to 10 kN using a FEA (Finite Element Analysis) software. The results were examined in details, particularly focusing on Section A-B, which is the most critical cross-section of the hook. Stress components and magnitudes along this section were analyzed and compared with the material's yield strength. Based on this comparison, regions with the highest potential for material reduction were determined. The most critical sections of the single hook are called A-B and C-D sections according to DIN15401 standard. Mesh structure of analysis was created by using Ansys Structural 19.2 software. The element size was selected as 1 mm. 511.562 nodes and 147.625 elements with hexagonal 3D shape were used. Large deformation has not been used since the expected maximum equivalent stress is below than yield strength of the material. Afterwards, hook model was loaded within the range of 0,5 kN to 10 kN. It has been fixed from all degree of freedooms from top of the hook in a way that it could reflect the test. Load direction is passed through the shaft axis as test is conducted. In this regard, stress and strain results were received. Accuracy of FEA model was verified through tensile testing, which is conducted under controlled laboratory conditions. To validate both the FEA model, CAD model and the material properties, bi-axial rosette types strain gauges which are able to measure the strain in both horizontal and vertical directions, were deployed on the inner and outer surfaces of Section A-B. Sample hook was loaded within a specific load range between 0,5 kN and 10 kN, and the results of biaxial strain values were recorded. These values were compared with the corresponding results from the FEA model under the same load conditions. In this comparison, the elastic modulus and Poisson's ratio were changed within the limits set by the Taguchi method (L9 orthogonal array) to identify the most consistent elasticity modulus and poisson ratio with experimental data. It is observed that 220 GPa elasticity modulus and 0,32 Poisson's ratio are the best match with FEA model over other trials. Using the validated CAD (Computer Aided Design) model and physical material properties, the process proceeded to the generative design phase in Fusion 360. Based on the stress distribution of the hook, the volume with the highest potential for material reduction was identified. This volume with constraints and boundary conditions, entered as an input into the software. As per catalog values of hook, maximum load that it can carry has been applied, passing through the shaft axis. Top area of the shaft of the hook has been fixed within all degrees of freedom. Factor of safety has been chosen as 1,5. As for material selection, Fusion 360 has wide range of materials. Choosing the right material is vital since it puts some limitations on the software to propose proper alternatives. Physical properties of material, elasticity modulus, poisson's ratio and yield strength has been entered as 220 GPa, 0,32 and 315 MPa respectively. Yield strength of material data comes from DIN15400 standard for hook P-Grade material. The other ones received from test validation. Then, four design alternatives including its manufacturing methods have been created. The weights of the proposed designs were compared with the original hook's weight (640 gr). The third alternative achieved the lowest weight reduction at 38,1%, whereas, the second alternative achieved at 46,5% which is the highest. To validate the second design offering highest weight reduction, finite element model with fine mesh was created. The maximum stress was observed as 281,67 MPa, which is below the yield strength of 315 MPa. After taking the stress concentration into account since there is sharp transition towards free tip of the hook, it was decided that an action is required to make this transition smoother. For this purpose, durability related improvement has been made between free tip of the hook and C-D section. In order to ensure material integrity and increase the safety in this section, preserved geometry has been revised and final alternative was created. In addition, this final alternative is the closest one to the original design in terms of manufacturability. It is symmetrical and does not have any undercut. When we compare the weight reduction between the original model and the final alternative proposed, only in sections C-D and E-F, reduction was observed from 306,6 gr to 139,8 gr. This reduction in this region constitutes 66% of the total weight reduction. In other words, the highest reduction occurred in this region. In conclusion, this dissertation indicates that by applying generative design method, a traditional hook design can be re-designed to achieve up to 39,4% weight reduction. The weight of Crane hooks with higher load capacity such as NR250 can reach up to 4800 kg. In this case, the weight reduction will naturally be much higher and meaningful. As future work, final proposed design could be subjected to detailed fatigue, fracture mechanics, creep related studies including test validation in these domains. Futhermore, other studies could focus on extending this methodology to other mechanical components, validating the feasibility of AI-driven design optimization.