Ahşap sandalyelerde eleman kesit ölçülerine göre ağırlık-mukavemet optimizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, performans testleri, sonlu elemanlar analizleri ve optimizasyon tekniklerini de kapsayan ürün mühendisliği metodolojisi ile ahşap sandalyelerin optimum ağırlık ve mukavemet düzeyine getirilmesi amaçlanmıştır. Çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiş olup, ilk aşamada endüstri uygulamalarında genellikle tercih edilen ortalama kesit ölçülerine sahip olan ve atölye koşullarında üretilen sandalyelerin kullanım sırasında maruz kalabilecekleri çeşitli yükleme biçimlerine göre mekanik performansları belirlenmiştir. İkinci aşamada ise, sonlu elemanlar analizleri ve optimizasyon teknikleri ile teorik olarak hafifletilen sandalyeler, yine atölye koşullarında ve üretilen sandalyeler aynı performans testlerine alınarak bilgisayar destekli yapısal analizler ve optimizasyon işlemleri doğrulanmıştır. Deney sandalyeleri, Türkiye Mobilya Endüstrisinde yaygın olarak kullanılan Doğu kayını (Fagus orientalis L.) ve Sarıçam (Pinus sylvestris L.) odunlarından üretilmiştir. Deney sandalyelerine, Amerikan Library Association Technology Report (ALA)' de belirtilen esaslara uygun olarak `devirli basamaklı artan yük metodu` ile önden arkaya, yanal, arkadan öne ve arkalığa önden arkaya olmak üzere 4 farklı yönde yükleme yapılarak performans testleri uygulanmıştır. 2 ağaç türü, 4 yükleme yönü ve her bir grup için 5 yineleme olmak üzere çalışmanın birinci aşamasında 40 adet gerçek (1/1) ölçülerde deney sandalyesi üretilmiş ve test edilmiştir. Daha sonra deney sandalyeleri sanal ortamda 1/1 ölçekli olarak modellenmiş ve üç boyutlu yapısal çözümler için sonlu elemanlar analizi (Finite Element Method) yöntemi ile çalışan bir yazılım olan (RISA 3D)' den yararlanılmıştır. Mevcut durumun tespiti yapılıp sonlu elemanlar analizi ile doğrulandıktan sonra optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Optimizasyon sürecinde ise, ağırlık-mukavemet ilişkisi göz önünde bulundurulmak suretiyle hafifletme çalışmaları yapılıp teorik olarak elde edilen sandalye eleman kesit ölçülerinin uygunluğunu testlerle doğrulamak için, yine aynı koşullarda 40 adet sandalye daha üretilmiş ve aynı performans testlerine tabi tutulmuştur. Performans testlerinde başarı sağlanıncaya kadar, süreç sanal ortam testleriyle dönüşümlü olarak devam etmiştir. Performans testleri sonuçlarına göre; hem Doğu kayını hem de Sarıçam sandalyeleri oluşturan elemanların kesit ölçülerinde ev içi kullanım için gerekli performanstan taviz verilmeden küçültme yapılmış, dolayısıyla sandalyelerin ağırlıklarında ve hacimlerinde azaltma yapılabilmiştir. Doğu kayını sandalyelerinin toplam ağırlıklarında ve hacimlerinde %32; sarıçam sandalyelerin toplam ağırlıklarında ve hacimlerinde ise %16 azaltma yapılmıştır. Çalışma sayesinde, sandalye ağırlıkları ve mukavemetleri niceliksel veriler ile optimum düzeye getirilerek ürün iyileştirmesi gerçekleştirilmiştir. Ürünlerde ağırlığın fazla olması, malzeme, nakliye ve diğer maliyetleri arttıran, işçi sağlığı ve iş güvenliğini olumsuz yönde etkileyen ve kullanıcı açısından zorluklar teşkil eden bir faktördür. Bir başka ifadeye, gereksiz ağırlıkta ve sağlamlıkta olan ürünlerin ergonomik ve ekonomik anlamda neden olduğu olumsuzlar engellenmiştir. Bütün bu olumsuz etkilerin yanı sıra, paket ağırlıklarının fazla olması nedeniyle ihracat yapan firmaların ciddi mali problemlerle karşılaşması da söz konusu olmaktadır. Ürünlerde hafifletme yapılarak paket ağırlıklarının azaltılması; fabrika, ana bayi, tali bayi çalışanlarına ve hatta son kullanıcılara hissedilir ölçüde çalışma, kullanma kolaylığı ve fonksiyonellik sağlayacaktır. Sonuç olarak, ürün mühendisliğinin gerekliliği ve önemi anlaşılmış, ürün mühendisliği uygulamaları sayesinde ürünlerin optimum mukavemet tasarımının yapılabildiği kanıtlanmıştır. Ürün mühendisliği metodolojisinin uygulanması sonucunda ortaya çıkan ürünler; üretici, satıcı ve kullanıcılara teknik, ekonomik ve ergonomik yararlar sağlayacağı öngörülmüştür.

In this study, it is aimed to make weight–strength optimization of wood chairs based on member section dimensions by using the product engineering methodology including performance tests, finite element analyses, and mathematical optimization. Test chairs was constructed of Oriental Beech (Fagus orientalis L.) and Scotch pine (Pinus sylvestris L.) which are commonly utilized in chair manufacturing. The study was conducted in two phases. In the first phase, mechanical performances of chairs which are manufactured at small shop conditions with common section sizes was determined with respect to various loading forms representing service load conditions. In the second phase, chairs with structurally designed and mathematically optimized member dimensions was re-manufactured and tested under the same performance test methods for verification and comparison.Test chairs was constructed of Oriental Beech (Fagus orientalis L.) and Scotch pine (Pinus sylvestris L.) which are commonly utilized in chair manufacturing. The chairs were tested under 4 loading directions; namely, front to back loading, back to front loading, sidethrust loading, and front to back loads to backrest in accordance with the principles of American Library Association (ALA) Specifications. In the first phase of the study, a total of 40 1/1 scale chairs were manufactured and tested with 2 wood species, 4 loading direction and 5 replications for each. Then, chairs were modelled in 1/1 scale at a virtual platform and a finite element analysis (FEA) software (ANSYS, RISA 3D) was used for three dimensional structural analyses. After determining the current situation, computational optimization was performed for the chairs via same methods; i.e., FEA and computational optimization techniques was utilized in the optimization process, as well. 40 virtually weight and strength optimized chairs was actually remanufactured in the same shop conditions; then, optimized chairs were tested according to ALA specifications. This process was continued until the desired performance values from the actual performance tests were achieved. Furthermore, the individual joint specimens, representing the chair joints were prepared and tested consistent with the actual service load conditions. In these tests, the load-deflection relations were investigated, and the semi-rigid connection factors (spring constants) was determined for each joint and these values was used for describing the joints into the structural analysis software in order to obtain more reasonable results by taking the semi-rigidity into account. According to the results of the performance tests; cross-sectional dimensions of the members forming both Oriental beech and Scotch pine chairs were reduced without sacrificing the performance required for domestic use by ALA; thus, successfully reducing the weight and volume of the chairs. The reduction was 32% in the total weight and volume for Oriental beech chairs while 16 % for Scotch Pine. As a result of this study, chair weights and strengths were optimized with quantitative data and product improvement was realized. The high weight in the products is a factor that increases the material, transportation and other costs while adversely affecting the worker's health and safety and creating difficulties for the user. In other words, unnecessary weight and over-designing are prevented ergonomically and economically. Reduction in package weights will also provide a considerable amount of saving, ease of use, and functionality to manufacturers, distributers, employees, and even end users. As an additional result, the necessity and importance of product engineering is understood and it has been proved that the optimum strength design of the products can be made by proper product engineering applications. To summarize, results of the study helped optimize chairs in terms of weight and strength. Outcomes of the study will also be expected to provide some technical, economical and ergonomics advantages to the manufacturers, sellers and users.