Dynamic characterization and optimization of additively manufactured tpms lattice structures

Katmanlı imalat (Kİ), zorlu mühendislik görevlerini başarmak için yapıların imal edilmesinde yeni yollar açmıştır. Bu tür yapıların benzersiz bir örneği olan üçlü periyodik minimum yüzey (TPMS) kafesleri, yüksek sertlik-ağırlık oranı ve darbe sönüm özellikleri gibi birçok çekici özellik sergiler. Bu çalışma, eklemeli olarak üretilmiş TPMS kafes yapılarının dinamik karakterizasyon ve optimizasyonuna odaklanmayı amaçlamıştır. Bu amaç doğrultusunda bu tez çalışmasında beş ana araştırma konusu incelenmiştir. İlk olarak, gyroid sandviç yapısının sonlu eleman tabanlı bir modelinin modal davranışı doğal frekansları ve mod şekilleri hesaplanarak incelendi ve modal test ile doğrulandı. Daha sonra, plaka ve gyroid duvar kalınlığının yapının dinamik özellikleri üzerindeki etkileri, doğrulanmış sonlu elemanlar modeli kullanılarak parametrik bir çalışmanın parçası olarak beklenen limit aralıkları boyunca değiştirilerek araştırıldı. Bir başka araştırma konusu olarak, primitive, diamond, IWP ve gyroid birim hücrelerden oluşan bir kiriş için beş farklı modelleme yöntemi kullanılarak, katmanlı olarak üretilmiş TPMS yapılarının modal karakterizasyonu incelenmiştir. Bu yöntemler (1) kabuk modelleme, (2) katı modelleme, (3) homojenleştirme, (4) süper eleman modelleme ve (5) vokselleştirmeyi içerir. Modal karakterizasyon, modal analiz kullanılarak gerçekleştirilmiş ve yukarıda bahsedilen modeller, hesaplama verimlilikleri ve doğrulukları açısından karşılaştırılmıştır. Bir takip çalışması olarak, fonksiyonel olarak derecelendirilmiş kafes (FGL) yapılarının geliştirilmesi için entegre bir topoloji optimizasyonu (TO) süreci kullanan yeni bir tasarım metodolojisi önerildi. Bu amaçla, TO işlemine homojenizasyon uygulanarak elde edilen maddi bir cezalandırma formülü entegre edilmiştir. Sonuç olarak, TO'nun nispi yoğunlukları doğrudan haritalandı ve daha sonra FGL'lerin geometrisini verimli bir şekilde oluşturmak için radyal temel fonksiyonlar (RBF'ler) kullanıldı. Önerilen metodoloji, istenen bir bant aralığı karakteristiğine sahip bir konsol kirişin tasarlandığı bir çalışma üzerinde gösterilmiştir. Ayrıca, serbest boyut optimizasyonunu kullanarak fonksiyonel olarak derecelendirilmiş kafes yapılarını üreten yeni bir Serbest Boyutlu Optimizasyon Tabanlı Dereceli Kafes Oluşturma (FOGLG) yöntemi önerildi. Ayrıca Katmanlı İmalat (AM) kullanılarak 3B FGL yapılarının inşasına uygun yeniden yapılandırma yöntemi sunuldu. Son olarak, kafes yapılarının mekanik performansını iyileştirmek için farklı yüzey tabanlı kafesleri bir tasarım alanında birlikte kullanmak için bir hibrit optimizasyon çerçevesi sunuldu. Yeni önerilen simülasyon ve optimizasyon tekniklerinin, eklemeli olarak üretilmiş kafes yapılarının dinamik özelliklerini iyileştirmede çok önemli bir rol oynadığı ve bu tezde önerilen modelleme kılavuzları kullanılarak sürekli zorlu tasarım gereksinimlerinin karşılanabileceği sonucuna varıldı.