OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
TAŞITLARDA ÖNDEN ÇARPIŞMA PERFORMANSINI ETKİLEYEN
ENERJİ YUTUCULARIN OPTİMUM TASARIMI
Emre Demirci*, Ali R. Yıldız*, Fehim Semerci**
*
Bursa Teknik Üniversitesi, Doğa Bilimleri Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Bursa
** Toksan Otomotiv Ar-Ge Merkezi, Bursa
ÖZET
Gün geçtikçe çoğalan araç sayısına bağlı olarak artan yaralanmalı ve ölümlü kazalar daha güvenli araçların tasarım ve
üretimini zorunlu hale getirmiştir. Günümüzde, özellikle taşıt araçlarının ve enerji sönümleme parçalarının çarpma
davranışlarını belirlemek ve performanslarını iyileştirmek için çarpışma analizleri ile ilgili çok yoğun çalışmalar
yapılmaktadır.
Bu çalışma kapsamında, taşıtlarda önden çarpışmalı kaza durumu için enerji yutucular sayısal olarak test edilmiştir.
Sayısal çalışmalar, farklı geometrilerdeki enerji yutucuların enerji emme karakteristiklerinin belirlenmesini
kapsamaktadır. Ayrıca bu çalışmalar, enerji yutucuların mevcut profillerinin et kalınlıklarında değişiklikler yapmayı,
bazı profillerin konumlarını değiştirmeyi ve bir takım yeni profiller ilave etmeyi kapsamaktadır.
Anahtar kelimeler: Enerji yutucu, Önden çarpışma, Optimum ürün tasarımı
OPTIMUM DESIGN OF THE ENERGY ABSORBER USED IN THE
AUTOMOTIVE INDUSTRY
ABSTRACT
Accidents concluded with injuries and deaths which are related with the increase in the number of vehicles are force
engineers to design and manufacture much safer vehicles. Nowadays, a lot of research works have been conducted in
the field of crashworthiness in order to define crash performance of vehicles and crash boxes.
In this study, crash boxes tested in numerical for frontal impact of vehicles. Numerical studies include determination of
energy absorption characteristics of different geometries of crash boxes. In addition, these studies include making
changes in existing profiles with wall thickness of crash boxes, changing the positions of some of the profiles and
adding new profiles.
Keywords: Crash box, Frontal Impact, Optimum product design
global pazarlardaki rekabette taşıt güvenliği en ön planda
yer almaktadır. Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK) ve
Emniyet Genel Müdürlüğünce hazırlanan trafik kaza
istatistikleri raporuna göre ülkemizde 2011 yılında
meydana gelen toplam 1.195.172 adet trafik kazasının
131.845 adedi ölüm ve yaralanmalı kaza olup bu
kazalarda toplam 3835 ölüm ve 238.074 adet yaralanma
meydana gelmiştir[1]. Anılan raporda belirtilen kazaların
meydana getirdiği maddi hasarlar ve insan kayıplarının
oldukça yüksek olması daha güvenli taşıtlar tasarlamanın
ve üretmenin önemini göstermektedir. Günümüzde
taşıtların çarpışma performanslarını iyileştirmek için
gerek akademik ortamda gerek endüstriyel kuruluşlarda
çok yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmaların
odaklandığı temel nokta, çarpışma anında ortaya çıkan
GİRİŞ
Gün geçtikçe artan araç sayısına bağlı olarak meydana
gelen trafik kazaları ile bu kazalar sonucu oluşan
yaralanma ve ölüm oranlarındaki hızlı artış daha güvenli
araçların tasarımını ve üretimini zorunlu hale getirmiştir.
Ülkemiz ihracatında lider olan otomotiv sektörü aracılığı
ile üretilen araçların büyük çoğunluğunun ihracatının
yapıldığı Avrupa birliği ve Amerika pazarlarında EuroNCAP ve NHTSA standartlarına göre yapılan araç
çarpışma testleri (vehicle crash test) ile taşıtların çarpışma
performansları
belirlenmektedir.
Taşıtların
bu
performanslara göre 1 den 5’e kadar yıldız sistemi (star
system) ile sınıflandırılması ve müşterilerin araç
tercihinde çarpışma performanslarının çok önemli bir
parametre haline gelmesi nedeniyle gün geçtikçe zorlaşan
1
kinetik enerjiyi maksimum düzeyde emerek taşıt içindeki
sürücü ve yolculara gelecek hasarın minimize edilmesini
sağlamada en önemli görevi üstlenen darbe emicilerin
(enerji yutucular) optimum tasarımını gerçekleştirmektir.
Bu çalışma kapsamında pasif güvenlik sistemlerinden biri
olan enerji yutucuların optimum tasarımı çalışması
yapılmıştır.
Şekil 3.1 Temel model alınan enerji yutucu
3.1. Farklı Enerji Yutucu Tasarımları
2. ENERJİ YUTUCULAR
Tasarım çalışmalarında ilk olarak ilk enerji yutucu CAD
ortamında modellenmiştir.
Enerji yutucular, çarpışma esnasında ortaya çıkan kinetik
enerjiyi şekil değiştirme enerjisine dönüştüren taşıt
yapısal elemanlarıdır (Şekil 2.1). Enerji yutucular
tarafından emilen enerji geri dönüşebilir veya geri
dönüşümsüz olabilir. Ancak enerji yutucular için istenilen
durum, kalıcı şekil deformasyonu ile çarpışma enerjisinin
büyük
bölümünün
geri
dönüşümsüz
olarak
sönümlenmesidir. Böylece can ve mal kaybı en aza
indirilebilir.
Başlangıç modeli
Şekil 2.1. Bir araca ait iskelet yapısı ve enerji sönümleme
elemanları [2]
Model 1
Kinetik enerjinin plastik şekil verme enerjisine dönüşümü
uygulanan yükün şiddetine, metoduna, deformasyon veya
yer değişim modlarına ve malzeme özellikleri gibi
parametrelere bağlıdır [2-7].
Enerji yutucu tasarlanırken dikkat edilmesi gereken bir
diğer husus da reaksiyon kuvvetleridir. Çarpışma anında
enerji yutucularının maruz kaldığı darbe kuvvetlerinin
yeterince sönümlenememesi bu kuvvetlerin direkt olarak
taşıt yolcu bölümüne aktarılmasına neden olacaktır. Bu
durum hem insan yaralanmalarına hem de taşıtta daha
fazla hasara yol açacaktır. Enerji yutucu tasarlanırken,
reaksiyon kuvvetlerinin mümkün oldukça düşürülmesi ve
enerjinin kalıcı şekil değiştirme ile sönümlenmesi
hedeflenmelidir.
Model 2
3. FARKLI ENERJİ YUTUCU TASARIMLARI VE
ÇARPIŞMA ANALİZLERİ
Bu çalışma kapsamında, Şekil 4.1 de görülen mevcut
enerji yutucu temel model olarak alınarak daha fazla
enerji emebilen ve reaksiyon kuvvetleri ile maliyetlerin
minimize edildiği farklı geometrilerde 45 adet alternatif
enerji yutucular geliştirilmiştir. Tasarlanan alternatif
enerji yutucular daha sonra bilgisayar ortamında çarpışma
analizine tabi tutulmuştur.
Model 3
Model 4
Şekil 3.2 Mevcut ve alternatif enerji yutucu modelleri
CAD geometrileri
2
Mevcut enerji yutucunun enerji emilimini arttırmak ve
oluşan maksimum reaksiyon kuvvetlerini düşürmek için
CAD
ortamında
yeniden
tasarım
işlemleri
gerçekleştirilmiş, farklı tipte bir çok enerji yutucu yüzey
olarak modellenmiştir. Yapılan çalışmalarda mevcut
enerji yutucunun geometrisi değiştirilmiş, mevcut
geometriye oluklar eklenmiş ve oluk yarı çaplarının
boyutları değiştirilmiştir. Ayrıca enerji yutucu
parçalarında değişiklik yapılmış, et kalınlıkları
değiştirilmiş
ve
enerji
yutucu
parçalarının
birleştirilmesinde kullanılan punto kaynakların sayısı ve
uygulama yerleri değiştirilmiştir. Şekil 4.2’de mevcut
enerji yutucu ve seçilmiş olan 4 farklı alternatif enerji
yutucu CAD modelinin geometrileri gösterilmiştir
(sağdan ve soldan görünüm).
toplam kütle, mevcut enerji yutucuya göre kütle değişimi,
ana gövde parçaları sac kalınlıkları ve toplam punta
kaynak sayıları gibi sayısal bilgiler verilmiştir.
Tablo 3.2 Mevcut ve alternatif enerji yutucu modellerine
ait bazı sayısal bilgiler
Mevcut
Model 1
Model 2
Model 3
Model 4
Parça
Sayısı
(adet)
6
5
6
5
5
Kaynak
Sayısı
(adet)
23
23
23
21
21
Kütle
(gram)
1069,09
1049,11
1070,61
1003,05
1057,04
Kütle
Değişimi
(%)
0
-1,869
0,142
-6,177
-1,127
Yapılacak olan çarpışma analizlerinde enerji yutucunun
sabit kalması ve rijit bir duvarın enerji yutucuya çarpması
hedeflenmiştir. Bu nedenle, bir ucu sınır şartlarıyla alt
bağlantı parçasından sabitlenmiş olan enerji yutucular
diğer uçlarından 15,6 m/s hıza ve 80 kg kütleye sahip rijit
duvar ile eksenel doğrultuda çarpıştırılmıştır (Şekil 4.3).
3.2. Sonlu Elemanlar Modelinin Oluşturulması
Mevcut enerji yutucu ve tasarlanan alternatif enerji
yutucu modellerinin geometrileri HyperMesh yazılımının
LsDyna arayüzüne aktarılmıştır. Burada enerji yutucu
parçaları kabuk (shell) elemanlarla modellenmiştir. Sonlu
eleman modelleri oluşturulurken, sonuçlardaki istenilen
doğruluk ve analiz süresi de göz önüne alınarak, ağ yapısı
boyutları 3x3 mm olarak alınmıştır.
Bu çalışma kapsamında SPC 400 kodlu çelik malzeme
kullanılmıştır.
Malzeme
tanımlaması,
Ls-Dyna
yazılımının kütüphanesindeki malzeme modellerinden
biri olan 24 numaralı elasto-plastik malzeme türü
(Piecewise linear isotropic plasticity, *MAT 24) ile
gerçekleştirilmiştir. Malzemenin mekanik özellikleri
aşağıda belirtildiği gibidir:
Rijit Duvar
Punta
Kaynaklar
Sınır
Şartları
Malzemenin Yoğunluğu, RO = 7850 kg/m3
Şekil 3.3 Rijit duvar, sınır şartları, punta kaynaklar ve
enerji yutucu modeli
Elastisite Modülü, E = 206 GPa
3.3 Çarpışma Analizleri
Poisson Oranı, PR=0.3
Sonlu elemanlar modelleri hazırlanan mevcut enerji
yutucu ve alternatif enerji yutucu modelleri Ls-Dyna
yazılımında çarpışma analizine tabi tutulmuştur.
Çarpışma analizleri bütün modellerde 90 mm’lik ezilme
miktarı için ele alınmış ve buna göre toplam enerji
emilimi, maksimum (pik) ezilme kuvveti, ortalama
ezilme kuvveti, ezilme kuvveti verimi ve birim kütle
başına emilen enerji miktarı hesaplanmıştır. Şekil 3.4’de
çarpışma analizi sonrasında mevcut enerji yutucunun
ezilmiş geometrisi görülmektedir.
Akma Gerilmesi, SIGY= 318 MPa
Kullanılan çelik malzemenin plastik bölgedeki gerçek
gerilme-gerinim eğrisine ait değerler Tablo 4.1’de
verilmiştir. Bu değerler 24 numaralı malzeme kartına da
tanımlanmıştır.
Tablo 3.1 Çelik malzeme için gerçek gerilme-gerinim
değerleri

[MPa]

Sac
Kalınlığı
(mm)
1,2
1,25
1,2
1,5
1,6
318,0
363,4
435,3
478,4
508,2
532,1
551,6
564,6
0
0,021
0,050
0,081
0,113
0,147
0,184
0,225
Bu çalışma kapsamındaki enerji yutucular iki adet ana
gövde parçasından ve taşıta bağlantı parçalarından
oluşmaktadır. Bu farklı parçaların birbirleri ile
birleştirilmesi punta kaynak tanımlamaları ile yapılmıştır.
Tablo 3.2’de mevcut enerji yutucu ve alternatif enerji
yutucu modellerine ait toplam kullanılan sac parça sayısı,
Şekil 3.4 Çarpışma analizi sonrasında mevcut enerji
yutucunun görünümü
3
yutucular, Bursa Teknik Üniversitesi bünyesinde bulunan
‘‘dinamik darbe sistemi’’ cihazı ile deneysel olarak test
edilecek
ve
deneysel
doğrulama
işlemi
gerçekleştirilecektir.
4. SONUÇ
Mevut enerji yutucu ile 4 farklı alternatif enerji
yutucunun enerji emilimlerinin ve maksimum (pik)
kuvvetlerin
karşılaştırılması
grafikler
üzerinden
incelenmiştir. Şekil 4.1 ve 4.2’de enerji yutucuların enerji
emilimleri ve ezilme kuvvetleri kıyaslanmıştır.
TEŞEKKÜR
Bu çalışmayı, 01348.STZ.2012-1 kodlu SANTEZ Projesi
kapsamında maddi olarak destekleyen Bilim, Sanayi ve
Teknoloji Bakanlığı’na ve Toksan Oto Yedek Parça
İmalat Tic. San. A.Ş AR-GE Merkezine teşekkür ederiz.
KAYNAKLAR
1.
Şekil 4.1 Emilen enerji – Yer değiştirme grafiği
2.
3.
4.
5.
Şekil 4.2 Reaksiyon kuvveti – Yer değiştirme grafiği
Grafiklerden de görüleceği üzere, enerji yutucu
geometrisinin, sac kalınlığının ve enerji yutucu
üzerindeki olukların enerji emilimi ve gösterilen
reaksiyon kuvveti karakterine önemli derecede etkisi
vardır.
Enerji
yutucu
modellerinin
çarpışma
performansları
ve
sonuçlar
aşağıdaki
tabloda
belirtilmiştir. Enerji ve kuvvet değişimlerinde mevcut
model esas alınmıştır.
6.
7.
Tablo 4.1 Çarpışma analizi sonuçları
Mevcut
Model 1
Model 2
Model 3
Model 4
Emilen
Enerji
(kJ)
6,66
6,7
5,05
5,84
5,51
Enerji
Değişimi
(%)
0
0,6
-24,17
-12,31
-17,27
Birim
Kütle
Başına Emilen
Enerji (kJ/kg)
6,23
6,39
4,72
5,82
5,21
Pik
Kuvvet
(kN)
107
106
103
125
139
Pik Kuvvet
Değişimi
(%)
0
-0,14
-2,83
17,58
30,07
Tablo 4.2 ve Tablo 5.1 birlikte irdelendiğinde 1 numaralı
modelin mevcut modele göre daha üstün olduğu
gözlemlenmiştir. Enerji emiliminde artış, maksimum
kuvvette azalış meydana gelmiştir. Böylece enerji
emilimi ve reaksiyon kuvvetlerinin istenilen düzeyde
kalması sağlanmış, buna ek olarak hem ağırlık hem de bir
parça eksiltilerek maliyet azaltılmıştır.
Bu çalışmanın bir sonraki aşamasında seçilmiş olan enerji
yutucu modeller üretilecektir. Üretilecek olan enerji
4
Emniyet Genel Müdürlüğü ve Türkiye İstatistik
Kurumu, 2011, " Karayolu Trafik Kaza
İstatistikleri"
Langseth, M., 2003, "Crashworthiness of Lightweight Automotive Structures 2001-2006",
NorLight Conference, Tron
Nagel, G., 2005, "Impact and Energy Absorption
of Straight and Tapered Rectangular Tubes", PhD
Thesis, The School of Civil Engineering Queensland
University, Queensland.
Alghamdi, A.A.A., 2001, "Collapsible Impact
Energy Absorbers: an overview", Thin-Walled
Structures, Vol. 39, pp. 189-213.
Chathbai, A., 2007, "Parametric Study of Energy
Absorption Characteristic of a Rectangular
Aluminum Tube Wrapped With E-Glass/Epoxy",
Master Thesis, Wichita State University, Mechanical
Engineering Department, Kansas, USA.
Jin, S.Y., Altenhof, W., 2007, "Comparison of the
Load/Displacement and Energy Absorption
Performance of Round and Square Aa6061-T6
Extrusions Under a Cutting Deformation Mode",
International Journal of Crashworthiness, 12(3), 265278
Yildiz, A.R. , Solanki, K. 2012, ‘’Multi-objective
optimization of vehicle crashworthiness using a
new
particle
swarm
based
approach’’,
International Journal of Advanced Manufacturing
Technology, Vol: 59(1-4):
367-376.
5
Download

Taşıtlarda Önden Çarpışma Performansini Etkileyen Enerji