OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
YENİ NESİL ZIRHLI ARACIN ÖMÜR TESTİNİN HIZLANDIRMA
SÜRECİNE YÖNELİK TEST VE DOĞRULAMA FAALİYETLERİ
Hüseyin Bayram, İzzet Çokal, Murat Talay, Erdal Usta
Otokar Otomotiv ve Savunma Sanayi A.Ş., Sakarya
ÖZET
Bir aracın geliştirme ve doğrulama sürecinin en önemli adımlarından bir tanesi gövde dayanım testleridir. Dayanım
testlerinin amacı, aracın kullanım ömrü boyunca karşılaşabileceği yapısal sorunları önceden tesbit etmek ve bu
doğrultuda önlemler almaktadır. Dayanım testleri; özel test parkurlarında, laboratuvar ortamında simülatörlerde veya
çok yoğun kullanılmayan bozuk ikincil yollarda gerçekleştirilebilir. Burada amaç; testi hızlandırmak ve aracın kullanım
ömrü boyunca maruz kalacağı kuvvet yüklemesini birkaç ayda veya birkaç haftada gerçekleştirmektir. Bu bildiride,
Otokar bünyesinde geliştirilen yeni nesil bir zırhlı aracın hidrolik yol simülatörü (four poster) üzerinde gerçekleştirilen
dayanım testi aşamaları anlatılacaktır. Bu aşamalar; aracın kullanım misyonuna uygun yol senaryolarının belirlenmesi,
belirlenen yollardan yol verisi toplanması, toplanan verilerin hasar analizi yapılarak kısaltılması, hidrolik simülatör
üzerinde iterasyonlar yapılarak yol profillerinin oluşturulması ve veri kısaltma işleminin simülatör üzerinde
doğrulanmasıdır.
Anahtar Kelimeler: 4 Poster, dayanıklılık testi, hasar analizi, data kısaltma, yorulma
ABSTRACT
One of the most important steps of development and verification process of a vehicle is structural durability tests. The
purpose of the structural durability tests is to specify the possible failures that the vehicle may come across during
customer usage and apply preventative solutions. Durability testscan be executed on proving grounds, on simulators in
laboratories or on rarely used secondary roads. The main purpose is to accelerate the test and apply the full-life loading
in a few months or a few weeks. In this paper; durability test stages of a new generation armoured vehicle developed by
Otokar will be presented stage by stage. These stages are; specifiying the appropriate road scenarios based on customer
usage, data collection on those specified road surfaces, accelerating the collected data with damage content analysis,
iteration on hydraulic road simulator, creating the road profiles and verification of the data acceleration process.
Keywords: Four Poster, durability test, damage analysis, reducing the data, fatigue
alınabilmekte ve dayanım testi tekrarlanarak istenen
sonuca ulaşılıp ulaşılmadığı kontrol edilebilmektedir.
Böylece farklı tasarımlar için hızlı sonuçlar
alınabilmektedir. Hızlandırılmış ömür testlerinde proje
süresi kısalırken buna bağlı olarak maliyetlerde düşüş
görülmektedir. Test esnasında harcanan enerji,
adamxsaat, sarf malzeme ihtiyaçları data kısaltma
süresine orantılı olarak düşmektedir. Testin yapıldığı
hidrolik yol simülatörünün çalışma saati azalmakta ve
sistemin ömrü uzamaktadır.
1. GİRİŞ
Hızlandırılmış ömür testleri proje tamamlama zamanını
önemli ölçüde kısaltmaktadır. Zaman alanında
kullanılan metodoloji bir eleme sürecinden ibarettir.
Düşük seviyeli veriler incelenerek kesilip atılmaktadır.
Test süresinin kısaltılması için düşük yorulma hasarına
neden olan veriler elenmektedir. Araştırma geliştirme
faaliyetleri devam ederken aracın dayanım açısından
zayıf noktaları kısa sürede tespit edilerek önlemler
1
noktaları frenleme, çukur tümsek geçme, viraj alma
gibi farklı senaryolar için yapılan statik analizlerde,
yapısal deformasyon miktarları dikkate alınarak, sorun
çıkabileceği düşünülen noktalar üzerinden belirlendi.
Belirlenen noktalara çeyrek köprü (quarter bridge)
yöntemi ile tek eksenli strain gauge yerleştirildi. Çok
kanallı veri toplama sistemi, ivmeölçerler, strain gauge
ve
GPS’den gelen dataları senkronize olarak
kaydetmesi için araca yerleştirildi.
Hızlandırılmış ömür testi yukarıda sayılan birçok
özelliği bünyesinde bulundurması nedeniyle firmaları
bu yönteme itmektedir. Hızlandırılmış ömür testinin en
önemli aşaması data kısaltma işlemidir. Data kısaltma
genel olarak strain verisi, kuvvet verisi ve deplasman
verileri kullanılarak
gerçekleştirilmektedir. Bu
çalışmada ivme verisi kısaltılmış ve strain ölçümü
yapılarak hasar analizleri karşılaştırılmıştır. Testler
esnasında Otokar’ın geliştirdiği zırhlı araç kullanılarak
kısaltılmış ve kısaltılmamış datalar karşılaştırılmıştır.
Data işleme süreci:
•
•
•
•
•
•
Yol Belirlenmesi ve yük koşulu
Enstrümantasyon
Veri toplama
Veri analizi ve sinyal işleme
Data kısaltma
Hidrolik sistemde iterasyon
2. DATA KISALTMA VE İTERASYON
Şekil 2. Strain gauge noktaları
2.1. Yol Belirlenmesi ve Yük Koşulu
Quarter bridge devreleri veri toplama sisteminin devre
tamamlama özelliği kullanılarak full bridge devrelerine
dönüştürüldü.
Müşteri kullanım profili dikkate alınarak belirlenen
yolda kırık asfalt, asfaltsız ve arnavut kaldırım gibi
senaryoları bünyesinde barındıran yollar seçildi. Aracın
müşteri kullanımı esnasında yüksüz, yarı yüklü, yüklü
ve aşırı yüklü durumlarının toplam ömür içerisinden
hangi yüzdelik dilimlere geldiği belirlendi.
Şekil 1. Yol belirlenmesi
Şekil 3. Quarter bridge devrelerinin tamamlanması
2.2. Araç Enstrümantasyonu
2.3. Data Toplama
Araç üzerinde yol profilinden kaynaklanan ilk darbeler
tekerler üzerinden aksa oradan da gövdeye iletilir. Bu
darbeleri kaydetmek için aks üzerinde tekerlek
merkezine yakın noktaya 4 adet ivme ölçer yerleştirildi.
Aracın hızını ve konumunu kayıt altına almak için GPS
cihazı konuldu. Hasar analizinde kullanılmak üzere
araca 18 adet strain gauge yerleştirildi. Strain gauge
Araç uygun hızlarda belirlenen yollarda sürülerek test
için data toplama işlemi gerçekleştirildi. Data toplama
işlemi test için en önemli süreçtir. Data toplama
esnasında yapılacak yanlışlık tüm teste olumsuz yönde
etki edecektir. Bu yüzden data toplama işleminden
önce yol profili, yük koşulu seçimi, ivmeölçerlerin
2
yeri, data örnekleme frekansı ve data çözünürlüğü
seçilirken dikkat edilmesi gerekmektedir.
•
•
Datanın içerisinde gerçek dışı minimum,
maksimum noktalar varsa “Spike Filter”
yöntemiyle temizlenir.
Data içerisinde bulunan 50 Hz’den yüksek
frekanslı veriler gerçek mekanik titreşim
olmadığı için filtrelenir. Filtreleme işlemi
dijital ortamda “Fourier Filter” metodu ile
gerçekleştirilir. 50 Hz üzeri frekanslar
filtreleneceği için “Low Pass Filter” kullanılır.
2.5. İvme Datasının Kısaltılması
Şekil 4. Yol datasının kayıt altına alınması
Elde edilen ham datanın bütün tepe ve çukur noktaları
işaretlenerek data “Time History” formundan “PeakValley” formuna çevrildi.
Yoldan gelen titreşimlerin kayıpsız bir şekilde hafızaya
alınabilmesi için beklenen en yüksek titreşim
frekansının (50 Hz) en az iki katı büyüklüğünde
örnekleme frekansı seçilmelidir. Otokar aracının yol
verileri 500 Hz örnekleme frekansı ile kayıt altına
alındı. Bu testler esnasında ivme kanallarının
çözünürlüğü 16 bit, strain kanallarının çözünürlüğü 32
bit olarak seçildi.
Elde edilen Peak-Valley datasında, belirlenen
“hysteresis filter” seviyesinin altında kalan bütün
maksimum ve minimum noktalar silindi.
Şekil-5’de yeni nesil zırhlı araçla bozuk yolda data
toplama esnasındaki görüntüsü verilmiştir.
Şekil 6. Belirlenen Hysteresis filter seviyesinin altında
kalan noktaların silinmesi
Multiaxial RP Filter metodunda aynı anda dört
tekerlekten toplanan ivme sinyalleri incelenerek, her
dört sinyalin aynı anda hysteresis filter seviyesinin
altında kalan bölümleri silindi.
Şekil 5. Yol datası toplama
2.4. Data Analizi ve Sinyal İşleme
Test için toplanan yol dataları simülasyondan önce
bazı işlemlerden geçirilir.
•
Datanın başlangıç değerinde kayma varsa
“Drift/Offset” yöntemi ile düzeltilir.
3
Şekil 9. Standart S-N eğrisi
Şekil 7. Data kısaltma yöntemleri
Hesaplanan hasarların ikisi de aynı S-N eğrisi
kullanılarak elde edildiği için karşılaştırma amaçlı
kullanılabilir fakat; ömür hesabı yapmak için
kullanılamaz.
Hysteresis filter işleminden sonra ham datanın ve
filtrelenen datanın minimum ve maksimum noktaları
“Rainflow Counting” metodu ile sayıldı ve Rainflow
Matrislerine yerleştiridi.
Kısaltma işlemi yapılırken “Hysteresis filter”
yüksekliği arttıkça kısaltma oranı da artar. Buna paralel
olarak kısaltılmış datanın hasar seviyesi de düşmüş
olur.
Yoldan toplanan ham datanın doğru bir şekilde
kısaltılması için kısaltma işleminden sonra şu
kontrollerin yapılması gerekmektedir:
Şekil 8. Rainflow Counting metodu
Rainflow Counting metodu esnasında “4Point
Algorithm” uygulaması ile aracın yorulmasına etkisi
olmayan minimum ve maksimum noktalar matrise
işlenmez.
Şekil 10. Data kısaltılması sonrası frekans, hasar
analizi ve azami-asgari değişim oranı incelenmesi
•
Ham data ve filtrelenmiş data için Rainflow matrisleri
oluşturulduktan sonra, sanal bir Stress – Ömür (S-N)
eğrisi kullanılarak her iki datanın hasar miktarı
hesaplandı. Hasar miktarı hesaplanırken Palmgren Miner metodu kullanıldı.
•
•
1 2

+
+⋯+ = 1
1 2

•
4
Ham data ile kısaltılmış datanın hasar
miktarlarının karşılaştırılması (rainflow
counting)
Ham data ile kısaltılmış datanın frekans
içeriklerinin karşılaştırılması (PSD)
Ham data ile kısaltılmış ivme datasının
birinci türevi alınarak azami ve asgari
değişimlerin karşılaştırılması
Ham data ile kısaltılmış datanın
istatistiksel olarak karşılaştırılması (min,
max, RMS)
Yazılımın modelleme ve ara yüzü kullanılarak her bir
tekerlek üzerindeki süspansiyonun transfer fonksiyonu
hesaplanıp transfer matrisine (H) yerleştirilerek aracın
matematiksel modeli oluşturuldu. İterasyon aracın
modeli üzerinden devam ettiği için doğru modeli
oluşturmak iterasyonun güvenilirliği için önemlidir.
2.6. Hidrolik Yol Simülatöründe İterasyon
Hidrolik yol simülatörü iterasyon öncesinde yağ
sıcaklığı ayarlanır. Yağın viskositesi simülatörün
verimli kullanımı için önemlidir. Daha sonra piston
basınçları ayarlanır ve sistem iterasyona hazır hale
getirilir.
Yol datası seçildikten sonra, sistemde simüle edilecek
frekans aralığı belirlenir. İterasyonlar esnasında yoldan
toplanan datanın %40 oranı sisteme verilir. Bu nedenle
ilk iterasyonda hata payı (RMS_Error) yaklaşık %60
civarında oluşur.
Şekil 11. Otokar tesislerinde bulunan hidrolik yol
simülatörü (4 Poster)
Hidrolik yol simülatöründe yapılan işlem, yoldan elde
edilen datalara karşılık gelen piston deplasman
değerlerinin bulunmasıdır. Bulunan deplasman
değerleri çalındığında araçta yolda görülen ivmelerin
aynısı oluşmaktadır. Sisteme alınan her aracın, her bir
yük koşulu için ayrı ayrı araç modeli oluşturulması
gerekmektedir. Bunun için öncelikle aks üzerinde
tekerlek merkezlerine en yakın noktalara (yol datası
toplanırken
ivmeölçerlerin
takıldıkları
yerler)
ivmeölçer yerleştirildi. Daha sonra pistonlar vasıtasıyla
tekerleklere farklı frekans ve genlikler (white noise)
içeren deplasman datası uygulandı. Aks üzerindeki
ivmeölçerlerden bu deplasmanlara karşılık gelen ivme
verileri toplanarak sistem yazılımına girdi olarak
verildi.
Şekil 13. Iterasyon sonucu elde edilen RMS-Error
Oluşan hata payının da % 40’ı verilerek iterasyona
devam edilir ve hata payı %10-20 civarına inince süreç
sonlandırılır. Şekil-13’te iterasyon sayısı arttıkça RMS
hata payındaki azalma gösterilmektedir.
İterasyonda özellikle incelenmesi gereken grafikler
Desired – Response – Error datalarının zaman ve
frekans spektrumları ile RMS-Error datasının
istatistiksel grafiğidir.
Şekil 14. Desired – Response – Error grafiği
Şekil 12. 4 Poster’da model oluşturma
5
yapılan analiz sonucunda yapılan kısaltma işlemi
sonrasında yol profilinin korunduğu, kısaltılmış yol
profilinde araca etki eden hasar miktarının ham yol
profilinin hasar miktarına oldukça yakın olduğu tesbit
edildi.
Otokar aracının 100.000 km’ye tekabül eden ömür testi
için öngörülen test süresi 175 gündür. Yapılan kısaltma
işlemi sonrası aracın 100.000 km ömür testi için
öngörülen süre 96 güne düşürüldü.
3.
KISALTILMIŞ
VE
KISALTILMAMIŞ
DATALARIN KARŞILAŞTIRILMASI
Toplanan datalarda, hem test rigin hem de hasar
hesaplama
yönteminin tekrarlanabilir
sonuçlar
açısından lineer bir korelasyon olup olmadığı incelendi.
Aynı yol profili iki kez çalınarak elde edilen strain
değerleri ile yapılan karşılaştırmada, aynı hasar
değerlerinin elde edildiği görüldü ve araçtaki yük
aktarımının lineer olduğu tesbit edildi.
Şekil 17. Kısaltılmış ve kısaltılmamış yol
profillerinden toplanan strain – hasar miktarları
Şekil 15. Aynı yol profili iki kere simüle edilerek elde
edilen strain değerleri
Sistemin 1 saatlik elektrik sarfiyat maliyeti yaklaşık
olarak 40 €, günlük ortalama elektrik enerjisi maliyeti
20 saat üzerinden 800 €’dur. Data kısaltması sonucu
elde edilen 79 günü göz önüne alırsak elde edilecek kar
63200 €’dur. Sadece elektrik enerjisinden elde edilen
kar, proje kapsamında önemli bir yer teşkil etmektedir.
Maksimum Kapasite
Güc
(Kw/h)
Adet
Toplam
(Kw/h)
Hidrolik Ünite
45
12
540
Soğutma kulesi
5,5
2
11
Şekil 16. Aynı yol profili iki kere simüle edilerek elde
edilen strain-hasar eğrileri
4 Poster aydınlatma
0,4
48
19,2
7
1
7
Testin ikinci adımında yoldan toplanan ivme dataları
analiz edildi. Yapılan analiz sonucunda, datanın hasar
içeriği korunarak %45 mertebesinde kısaltma sağlandı.
Elde edilen kısaltılmış yol profili çalınarak araç
üzerinde bulunan 18 kanaldan straingage datası
toplandı. Toplanan straingage dataları analiz edilerek
her bir kanalın kısaltılmış ve kısaltılmamış datasının
hasar karşılaştırılması yapıldı. 18 kanal üzerinden
Soğutma su filtresi
2,2
1
2,2
Ofis ayd.+ bilg.+fan
1
1
1
Ünite
Ofis Klima
TOPLAM
580
Tablo 1. 4Poster sistemi bir saatlik elektrik sarfiyatı
6
4. SONUÇ
Yapılan çalışmalar sonucunda ivme verileri işleme tabi
tutularak yoldan toplanan data kısaltıldı ve araca
verdiği hasar miktarları karşılaştırıldı. İvme datası
kullanılarak kısaltılmış ve kısaltılmamış yol datalarının
araç üzerinde oluşturduğu hasar miktarları açısından
birbirine yakın olduğu tespit edildi.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
5.
Murakami Y., 2002, ‘Metal Fatigue: Effects
of Small Defects and Nonmetallic Inclusions’
Elsevier
Wanhammar L., 1999, ‘DSP Integrated
Circuits’ Academic Press
Bayram H., Çokal İ., Usta E., 2012, “Örme
Şasili Otobüsün Süspansiyon Geometrisi ve
Komponentlerinin Hidrolik Yol Simülatörü
Üzerinde
Yorulma
Etkisi
İncelenerek
Optimize Edilmesi”, OTEKON-BURSA
LMS Falancs, 2000, ‘Theory Manual A Part
of the LMS Falancs Documentation’
nCode,
2004,
‘Integrated
Durability
Management’, Training Notes
7
Download

yeni nesil zırhlı aracın ömür testinin hızlandırma sürecine