OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
ARAÇ TASARIM SÜREÇLERİNDE DAYANIM VALİDASYON
ADIMLARININ BELİRLENMESİ
Fatih Kağnıcı*
Anadolu Isuzu Otomotiv Sanayii A.Ş.
*
ÖZET
Araç dayanımı validasyonu, araç tasarım sürecinin en önemli aşamalarından biridir. Araç çalışma hayatı boyunca ne
tür zorlamalara maruz kalacağı ve hangi kuvvetlerce zorlanacağının bilinmesi, şasi ve karoseri tasarımında önemlidir.
Bu konuda genel olarak taşıtın kullanım amacı ve türü dikkate alınarak bir kullanım senaryosunun öngörülmesi
gerekmekle birlikte, öncelikle taşıt gövdesinin temel zorlanma biçimlerinin bilinmesinde ve taşıta gelecek kuvvetlerin
sınıflandırılmasında, tasarım aşamasının başlangıcında yarar vardır. Bunun yanında, araç değişik yol koşullarında
değişken veya tekrarlı yüklemelere de maruz kalmaktadır. Bu durum araç gövde ve komponentlerinde yorulma
hesaplarının dikkate alınmasını gerektirmektedir. Dayanım ve yorulma hesaplamaları çeşitli analiz yöntemleri ile
yapılabilmektedir.
Bu çalışmada bir aracın çalışma süresince karşılaşabileceği zorlu yol koşullarının belirlenmesi ile bu şartlarda
gelişen CAE (Bilgisayar Destekli Mühendislik) çalışmaları ile dayanım hesaplamları yapılacak olup, aynı zamanda
müşteri kullanım şartlarına benzer bir güzergah profili oluşturup bu güzergah üzerinden yapılan bir yorulma ömür
hesaplama metodolojisi ortaya koyulacak ve diğer araçların tasarımında kullanılmak üzere genel araç dayanım
prosedürleri oluşturululacaktır.
Anahtar kelimeler: Araç, Yorulma, Dinamik, Simülasyon, Sonlu elemanlar, Test, Doğrulama
NEW DURABILITY VALIDATION PROCEDURES IN VEHICLE DEVELOPMENT PROCESS
ABSTRACT
Vehicle durability validaiton step is one of the most important phases in product develoment process. It is important
to know that what kind of forces acting vehicle body and components during its working life. Taking into account the
intended use of the vehicle and type of usage scenario should be envisaged at the beginning of the design phase in order
to be known forms of forces on the basis of the vehicle body. Furthermore, the vehicle in different road conditions is
exposed to variable or cyclic loading. In this case, the vehicle body and components requires consideration of fatigue
account. Strength and fatigue calculation can be made by various analysis methods.
In this study, the road conditions of a vehicle which can be faced in its working life, is defined. In addition, static
durability calculations are performed on these road conditions via CAE methods. Furthermore, a durability route is
defined according to customer usage of vehicle via statistical studies and fatigue calculations are performed on that
route. At the end of the study, the procedure of this methodolgy is presented and will be used for further vehicle product
development process
Keywords: Vehicle, Fatigue, Dynamic, Simulation, Finite Element, Test, Validation
neticesinde doğru ve düzenli bir validasyon süreci eksik
kalmaktadır. Bu çalışma ile öncelikli olarak ülkemiz
ticari araç tasarımcılarının, dayanım validasyonlarını için
bir prosedür oluşturmaktır. Devamında, dışa bağımlı
olduğumuz hızlandırılmış ömür pistlerinin kullanımını
CAE yöntemleriyle tasarım geliştirme faaliyetlerine
1. GİRİŞ
Ülkemiz otomotiv sektörü son zamanlarda ortan ArGe
çalışmaları
ile
kendi
araç
tasarımlarını
gerçekleştirmektedir. Fakat, tasarım geliştirme süreçleri
1
aktarıp prototip ve test maaliyetlerini düşürmek ve dünya
ile entegre ve rekabetçi bir araç tasarımı meydana
getirmektir.
Ülkemiz araç imalatçıları uluslararası alanda rekabet
edebiliyor olmak için, yeni modellerinde otomobil
maliyetlerini minimum tutarken aynı zamanda müşteri
kalite beklentilerini de tatmin edici bir şekilde
karşılayabilecek bunun yanı sıra bu modellerini en kısa
zamanda piyasaya sunmaları gereğinden dolayı büyük bir
pazar baskısı altındadırlar. Son 10 yılda genel olarak
ürünün geliştirme zamanı 5 yıldan 2 yıla kadar
düşmüştür.[1]. Tasarım geliştirme süreleri azaldığından ,
otomobil
üreticileri
CAE
(Bilgisayar
destekli
mihendislik) yöntemleriyle daha hızlı tasarım geliştirme
yollarını aramaktadırlar. Özellikle CAE çalışmalarının
doğruluk oranının yükselmesi ile "analitik prototip"
kavramı,
gerçek
prototiplerin
yerini
almaya
hazırlanmaktadır. Tüm aracın, alt sistemlerin ve
komponentlerin tasarım sürecindeki performansları CAE
çalışmaları ile validasyonu yapılıp hedef değerleri ile
karşılaştırılmaktadır. Daha önceden belirlenmiş bu
hedeflere ulaşmak için bir çok iterasyon yapmak
gerekebilir. Bundan dolayı araç performansı, ağırlığı,
maaliyeti, imalatı ve diğer tasarım şartlarının arasında
optimize edilmiş bir araç tasarımı ihtiyacı doğmaktadır.
Bu ihtiyacı karşılama da CAE çalışmaları önemli bir rol
oynamaktadır. [2]
Dayanım validasyonu araç tasarım sürecindeki en
önemli adımlarının başında gelmektedir. Bu süreçte
dikkat edilmesi gereken en önemli konu “know-how”
dediğimiz, “hangi şartlar altında” ve “hangi yöntem ile”
yapılması gerektiğidir. Ülkemiz ticari araç üretim ve
tasarımında dünyada önemli bir konuma sahip olduğu
için, bu araçların tasarımında dayanım daha önem
arzetmektedir. Bu konuda elde edilmesi gereken ilk konu
eksik olan olan bu bilgi birikimini tamamlamaktır. Bu
proje sayesinde bu bilgi birikimi eksikliğini ülkemiz
otomotiv sektörüne kazandırmaktır.
Dayanım konusu iki ana başlıkda ele alınabilinir.
Bunlardan ilki aracın zorlu yol şartlarında (kasis, çukur,
ani fren vb.) karşılaştığı anlık dayanım problemleridir.
Diğeri ise aracın yorulmasıyla alakalıdır. Yorulma
hatalarının gerçek müşterilerde ortaya çıkması uzun bir
zamana bağlı olduğundan bu hataların kısa zamanda
tespiti oldukça güçtür. Bu nedenle bu müşteri profilinin
daha kısa güzergahlarda benzetimi ile önceden yorulma
hesaplamalarının yapılması daha büyük önem arz
etmektedir.
Hızlandırılmış
ömür
testleri
araç
dayanım
validasyonun en önemli ayağını oluşturmaktadır. Fakat
bu konuda ülkemiz sınırları içersinde hizmet veren bir
kuruluş olmadığı için ne yazıkki ülkemiz araç
imalatçıları, tasarladıkları araçları yurt dışına göndermek
mecburiyetinde kalmaktadırlar. Bu çalışmada belirtilen
metodoloji sayesinde bu konuda elde edilecek bilgi
birikim ile hem test maaliyetleri azalacak, hem bu
adımlar son zamanlarda hızlı bir biçimde gelişen CAE
metodları ile yapılacak hem de daha kısa sürede daha
doğru ve düzenli araç tasarım ve geliştirme süreci
meydana gelecektir. Bu çalışmalarla elde edilecek bilgi
sayesinde özellikle dayanım testleri konusunda dışa
bağımlılımızı kaldırıp bu süreci sanal validasyon sürecine
dahil edilmesi planlanmaktadır. (Şekil 1)
Şekil 1. Daha kısa ve düşük maliyetli bir tasarım
metodolojisi
Bu çalışma sonunda elde edilecek bilgi birikimi ile
araçların çalışma hayatları boyunca karşılaşacağı zorlu
yol koşullarında meydana gelen hasarlar ve araçlar test
ortamına girmeden çalışma hayatlarında meydana gelecek
yorulma şartları hesaplanabilecektir
2. YÖNTEM
Bu çalışma kapsamında önerilen süreci bir uygulama
örneği ile anlatılacaktır. Burada ilk önce aracın statik
zorlanmaları prosedür haline getirelecek devamında ise
dinamik zorlanmalar (yorulma hasarları) belirli artlar
altında belirlenerek yeni validasyon sürecinin diyagramı
çıkarılacaktır. (Şekil 2)
2.1 Araç dinamiği
doğrulanması
modelinin oluşturulması
ve
Bu adımda öncelikli olarak aracın sonlu elemanlar
modeli oluşturulacaktır. Devamında aracın çoklu cisim
dinamiği programında dinamik modeli oluşturularak
esnek bir simülasyon yapısı elde edilecektir. (Şekil 3)
Diğer yandan gerçek araç prototipi ile belirlenen yollarda
(kasis, çukur ve viraj durumları) süspansiyon bağlantı
noktalarında ve direksiyon bağlantı noktalrında ivme
ölçümleri toplanacaktır. (Şekil 4) Bu ölçümler, en ve
yükseklik değerleri önceden belirlenmiş yol üzerinde
kasis, çukur ve viraj durumları için aracın süspansiyon
noktalarından 3 yönde ivme sinyallerinin ve gerinmeölçerler ile gerinme datasının toplanmasını içermektedir.
(Şekil 5)
2
Şekil 2. Yeni Sürecin Uygulama Adımları
Toplanan bu ivmeler ile, oluşturulan araç dinamiği
modelinde benzer yol şartları yaratılarak koşturulması ile
elde edilen ivmeler karşılaştırılacaktır. Bu karşılaştırma
ile süspansiyon elemanlarının parametrelerin (yay rijitlik
eğrisi, sönüm eğrisi, kauçuk yapıların yay ve sönüm
katsayıları) ince ayarları yapılacaktır. Bu sayede sanal
prototip gerçek prototiple aynı özelliklerde olması
sağlanacaktır.
Şekil 4. Araç Prototipinin Oluşturulması
2.2 Zorlu koşul senoryalarının belirlenmesi ve statik
dayanım analizlerinin yapılması
Öncelikli olarak aracın çalışma şartlarında
karşılaşacağı en zorlu yol şartları araştırılacaktır. Burada
incelenmesi planlanan aracın hangi hızlarda çukur ve ya
kasis, vd. , hangi ivmelerde frenleme, frenleyerek vurma
ve ya viraja girme, vd. gibi durumlar literatür, satış
sonrası verileri ve tecrübelerle istatiksel olarak
araştırılacaktır.
Belirlenen bu yol şartları araç dinamiği programında
gerçeği ile bire bir modellenerek sanal senaryolar
oluşturulacaktır. (Şekil 7)
Öncesinde oluşturulan sanal prototip, sanal senaryolar
üzerinde ayrı ayrı koşturularak bağlantı noktalarında
herbir yön için kuvvet ve momentler elde edilecektir.
Elde edilen kuvvet ve moment değerleri ilk olarak
kasis ve çukur durumları için araç sonlu elemanlar modeli
Şekil 2. Araç Çoklu Cisim Dinamiği Modeli
Bunun yanında gerinme-ölçerler ile araç üzerinde
belirlenen lokasyonlarda gerinme datası toplanarak ileride
yapılması öngörülen dayanım analiz sonuçlarında
doğrulama amaçlı kullanılacaktır. (Şekil 6)
3
üzerinde uygulanarak statik dayanım analizleri yapılacak
ve öncesinde test üzerinde toplanan gerinme değerleriyle
karşılaştırılarak doğrulamaları yapılacaktır. Buradaki
doğrulamalar
ile
sonlu
elemanlar
modeli
güncellenecektir.
Şekil 5. İvme Ölçümlerinin yapılması [3]
Sanal prototip üzerinden elde edilen kuvvet ve
momentler, her bir senaryo için sonlu elemanlar modeli
üzerinde uygulanarak aracın statik dayanım analizleri
yapılacaktır.
Şekil 7. Sanal Senaryoların Oluşturulması [5]
Devamında yorulma ömrü hesapları için kullanılacak
güzergahların (bozuk, köy yolu, taşlı yol vb.) belirli
bölümlerinde, ivme ve deplasman datalarının toplanacak
ve sinyal işlemeleri yapılcaktır. Buradaki amaç müşteri
profilne benzer hızlandırılmış bir güzergah belirleyip
yorulma hesaplarına daha hızlı ve sağlıklı bir şekilde
yapabilmektir.
İstatiksel olarak sinyal işleme programında toplanan
iki data arasında bir benzetim yapılarak, müşteri profiline
eşdeğer bir güzergah belirlenecektir. Bu güzergah şu
kısımlardan oluşmaktadır; asfalt yolda taplanacak datanın
toplam yol miktarı, köy yolu için toplam yol miktarı, taşlı
yol için toplam yol miktarı, stablize yol için toplam yol
miktarı, vb. (Şekil 8) (Şekil 9)
Aynı zamanda yapılacak araç yorulma hesaplamaları
için belirlenen güzergah üzerinden ivme datası
toplanacak ve bu sinyaller hesaplamaya uygun olarak
işlenecektir. (Filtreleme, ayıklama, vb.)
Şekil 6. Gerinme Datasının Toplanması [4]
Burada hedeflenen, sanal prototipin belirlenmiş zorlu
yol koşullarında kuvvet ve moment değerlerinin doğru bir
şeklide elde edilmesi, her bir alt sistemin ve parçanın
zorlu koşul senaryolarında göreceği gerilme miktarlarının
gerçeğe yakın bir biçimde hesaplanması, elde edilen bilgi
birikiminin diğer araç projelerinde kullanılması için
prosedür oluşturulmasıdır.
2.3 Araç yorulma ömrü hesaplarında kullanlmak
üzere müşteri profiline benzer bir yol güzergahın
belirlenmesi
Öncelikli olarak, pazarlamadan alının veriler ile
müşteri yol profili belirlenecektir. Bu yol profili üzerinde
aracın teker ve süspansiyon noktalarından ivme ve
deplasman dataları toplanacak ve du datalar sinyal işleme
programında işlenecektir.
Şekil 8. İstatiksel Benzetim İşlemi [6]
4
S-N datasıyla yorulma analizinde koşturularak araç
yorulma hesaplarının yapılması. [7]
Son olarak araç yorulma hesaplamalarından elde
edilen sonuçları ile, hızlandırılmış ömür pistine
gönderilen
araçtaki
yorulma
hasarları
ile
karşılaştırılacaktır.
3. SONUÇ
Bu çalışmada ticari araçların tasarım süreçlerinde
uygulanması için bir validasyon sistemi yaklaşımı
açıklanmıştır. Bu sürecin uygulanmsında ilk önce çoklu
cisim dinamiği programında araç dinamik modeli
oluşturulacaktır. Bu modelin doğrulanması için araç
belirlenen yol şartlarında test edilerek ivme ve deplasman
ölçümleri yapılacak ve öncesinde oluşturulan araç
dinamik modeli güncellencektir. Devamında aracın yolda
karşılaşacağı en zorlu koşullar belirlenerek çoklu cisim
dinamiği programında modellenecek ve araç üzerinde
oluşan gerilmeler sonlu elemanlar analizleriyle
incelenecektir. Ayrıca müşteri profiline uygun güzergah
tespiti istatiksel yöntemlerle belirlenecek ve bu
güzergahda yorulma hesaplamaları yapılcaktır. Bu
hesaplamaların doğrulamaları için son adım olarak araç
hızlandırılmış ömür testine tabi tutulacaktır.
Uluslararası taşıt üreticilerinin kendi ürün geliştirme
süreclerinde uyguladıkları dayanım validasyonu adımları
bu çalıma sayesinde benzerlerinden daha kapsamlı ve
düzgün olarak ülkemiz araç üreticlerinin hizmetine
sunulacaktır. Bu kapsamda, test ve protoip maaliyetleri
düşürülerek günümüz otomotiv mühendisliği araçları
sayesinde sanal prototip kavramı oluşturulacak ve dışa
bağımlık azaltılacaktır.
Bu çalışma sonrasında elde edilmesi beklenen çıktılar
aşağıdaki gibidir.
Uluslararası araç imalatçılarının tasarım
süreçlerinde kullandıkları validasyon adımlarını daha
düzgün, birleştirilmiş ve gerçek prototip ile korole
edilmiş bir dayanım validasyon süreç prosedürleri
oluşturulacaktır. (Şekil 10)
Yurtdışına
bağımılık
azalatılarak,
CAE
metodları yardımıyla dünya ile entegre bir araç tasarım
süreci elde edilecektir.
Özellikle ülkemiz ticari araç imalatçıları
açısından kritik olan dayanım validasyon adımları
belirlenip ülkemizdeki bilgi birikimi eksiği kapatılcaktır.
Araç tasarım süreçleri daha hızlı, kısa ve düzgün
bir şekilde tanımlancak ve dünyadaki diğer araç
imalatçılarıyla rekabet edebilir hale getirilecektir.
Sanal prototip kavramı ile gerçek prototip ve test
maliyetleri azaltılarak daha düşük bütçeler ile araç
tasarımı elde edilebilecektir.
Araç üzerinde testler yapılırak ivme, deplasman
ve gerinme ölçümleri yapabilme yeteneği kazanılacak ve
bunların sonuçları ile sanal prototipler ile yapılan
validasyonların doğrulamaları yapılabilecektir.
Şekil 9. Yorulma için Belirlenmiş Yollar
2.4 Belirlenen güzergahta
hesaplarının yapılması
araç
yorulma
ömrü
Araç yorulma hasarlarının incelenmesi için CraigBampton metodu bu çalışmada kullanılacaktır. Bu
yöntemin en büyük avantajı "complex" ve "transient
dynamic response" fonksiyonlarının hesaba katılması ve
aynı zamanda ölçülen ivmelere göre aracın maruz kaldığı
kuvvet diyagramlarının araç dinamiği ile aracın
modlarına yansıtılmasıdır.
Araç dinamiği modeli ile araç sonlu elemanlar modeli
entegrasyonunda, Component Mode Synthesis metodu
kullanan ve sonlu elemanlar ortamında doğal frekans
analizine tabi tutularak elde edilen MNF modeli önemli
rol oynamaktadır. Tamamen yapısal doğal frekansların
süperpozisyonundan oluşan bu model, uygulanan
yüklemelerin gövdedeki frekans cevabını gerilmegerinme sonuçlarına yansıtmaktadır
Yorulma analizi için gerekli adımlar aşağıdaki gibi
sıralanabilinir.
1 - Parçanın geometrik modeline uygun dayanım analizi
için sonlu elemanlar modelinin hazırlanması.
2 - Craig Bampton analizinin yapılıp yer değiştirme
modlarının ve modal gerilmelerin çıkarılması.
3 - Araç dinamiği modelinin hazırlanması ve Craig
Bampton yer değiştirme modlarının uygulanması.
4 - Test ile toplanmış ivmeler ile araç dinamik modelin
belirlenmiş güzergaha göre sanal 4 eksenli taşıt test
düzeneğinde koşturularak "Modal Participation Factor"
geçmişinin çıkarılması.
5 - Sonlu elemanlar analizi ile elde edilen modal
gerilmeler ve Araç dinamiği modeli ile elde edilen
"Modal Participation Factor" geçmişinin uygun malzeme
5
Şekil 10. Dayanım Validasyonu Süreci
Science , v6, pp.229-234, pISSN 2010-3980, eISSN
2010 – 3999.
4. TEŞEKKÜR
Bu çalışma, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma
Kurumu (TÜBİTAK) ve Anadolu ISUZU Otomotiv
Sanayii A.Ş.’nin (Proje Numarası: TEYDEB-3130231)
katkılarıyla gerçekleştirilmektedir.
KAYNAKLAR
1. Şenol A., 2010, “Araç Parçaları Yorulma
Ömürlerinin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile
Belirlenmesi”, Electronic Journal of Vehicle
Technologies / Tasit Teknolojileri Elektronik
Dergisi . 2010, Vol. 2 Issue 3, p13-28. 16p.
2. Kağnıcı F., Ulaş B., 2012, “Araç Yorulma
Analizline Göre Hasar Görülen Parçanın
Dayanım ve NVH Yönünden İyileştirilmesi”, 6.
Otomotiv Konferansı (OTEKON), Bursa
3. Londhe, A., 2011, “Derivation of Extreme Static
Durability Load Cases for FEA Based Vehicle
Strength Evaluation”, SAE Congress, 2011-012174.
4. Kağnıcı, F., Dileroğlu S., 2012, “Cng Dönüşümü
Yapilan Bir Hafif Ticari Aracin Süspansiyon
Bölgesinin Cae Metodlari ile Geliştirilip Testler
ile Doğrulanmasi”, 6. Otomotiv Konferansı
(OTEKON), Bursa
5. Kim Chen , D. et.al., 2006, “Vehicle Dynamics
Simulation
at
Commercial
Vehicle
Development”, SAE Congress, 2006-01-1980.
6. Vertuai, A., 2011, “Optimized Testing AT2011
Proving Ground Optimization based on Fatigue
Damage”, Affidabilità e Tecnologie.
7. Kagnici, F., 2012, “Vibration Induced Fatigue
Assessment in Vehicle Development Process”,
International Journal of Engineering and Applied
6
Download

araç tasarım süreçlerinde dayanım validasyon adımlarının