İç içe yuvalanmış ezilme kutularının ezilme ve çarpışma davranışının sayısal ve deneysel incelenmesi


Türkmen H. S. , Mecitoğlu Z. , Kazancı Z.(Executive)

TUBITAK Project, 2013 - 2015

  • Project Type: TUBITAK Project
  • Begin Date: March 2013
  • End Date: September 2015

Project Abstract

Araçların (uçak, araba, raylı sistem araçları, gemi, vs.) darbelere dayanımı çok büyük önem teşkil etmektedir. Bu yüzden, insan hayatını korumak amacıyla bu konuda katı standartlar getirilmektedir. Daha iyi bir performans için, araçların yolcuları koruma kapasitelerini artırma yönündeki tasarımlar bir evrim geçirmektedir. Tasarım zamanını azaltmak, araçların ve bileşenlerinin çarpma ve ezilme tasarım standartlarını sağladığından emin olmak için çarpışma testleri genellikle sayısal olarak bilgisayarlarda yapılmaktadır. Elde edilen veriler yeni tasarımların geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Sayısal simülasyonların bilgisayar ortamında yapılabilmesi her defasında fiziksel bir model üretme zorluğunu ortadan kaldırmakta, zaman ve maliyet açısından çok daha hızlı olmaktadır. Bu simülasyon süreci, gerçek bir araç prototipi üretilmeden önce en iyileştirmesinin yapılabilmesini sağlamaktadır. Ezilme veya çarpışma esnasında en önemli konu kinetik enerjinin nasıl emileceğidir. Bu amaçla tasarlanan ezilme kutuları birçok alanda kullanılmaktadır. Ezilme kutuları, araç çarpışmalarında ortaya çıkan büyük değerlerdeki kinetik enerjiyi plastik enerjiye dönüştürebilme kabiliyetlerine haizdir. Bu yüzden, ezilme kutularının çarpışma sonrası ezilme davranışları konusuna ilgi sürekli devam etmektedir [1-3]. Ezilen bir kutuda, ilk çarpmada meydana gelen pik kuvveti sonrakilerden çok daha fazladır. Çoğu zaman kaza esnasında, kutular araçlarda ve bileşenlerinde en fazla ivmelenmeye neden olan bu pik kuvvetlerini emmek için kullanılırlar. Aslında enerji emen ideal bir sönümleme yapısı tüm darbe süresince üniform bir yavaşlatma sağlamalıdır. Sürekli olmasa da kademeli olarak enerji yutma seviyeleri değiştirilen bir ezilme kutusu tasarımı ile pik kuvveti azaltarak mümkün olduğunca üniform bir yavaşlamayı sağlamak burada önerilen çalışmanın motivasyonunu oluşturmuştur. Ezilme kutusu önce ilk darbeyi şiddetli bir pik kuvveti oluşturmadan emmeli, daha sonra geri kalan enerjiyi yutabilmek için kademeli olarak deforme olmalıdır. Belirlenen bu amaç doğrultusunda, iç içe geçen farklı uzunluktaki tüplerden oluşan yeni bir ezilme kutusu düşünülmüştür. İçteki en uzun tüp, ilk darbeyi emerek ve sonra diğer tüplerle birlikte deforme olmuştur. Yeni tüp modeli aynı boylarda olan iç içe tüplere nazaran ağırlığın azalmasını sağlamıştır. Ayrıca tüplerin yerleşiminin ve geometrik parametrelerinin sıralamasının kıyaslanması neticesinde farklı tasarım önerileri geliştirilmiştir. Öncelikle, ezilme kutusunda kullanılacak olan metal malzemelerin gerilmegerinim diyagramları elde edilmiştir. AL6063 alüminyum alaşımlı tüplerin diyagramları çekme testleri yapılarak elde edilmiştir. DP600 çelik malzemeli tüplerin gerilme-gerinim diyagramı otomotiv üreticisinden sağlanmıştır. Çeşitli ezilme kutusu tasarımları geliştirilerek ve elde edilen malzeme test verileri kullanılarak sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Doğrusal olmayan açık (explicit) sonlu eleman yazılımlarında (Ls-DYNA ve ABAQUS) tasarlanan ezilme kutularının çarpma sonrası ezilme davranışları analiz edilerek incelenmiştir. Farklı metallerin ve geometrilerin birleşimi olarak tasarlanan ezilme kutusu yapısının enerji emme kapasitesi geometri ve malzeme özelliklerine bağlıdır. Bu yüzden farklı boy ve kesitlerde iç içe geçen tüplerden oluşan farklı ezilme kutuları analiz edilmiştir (Şekil 1). Malzeme türü, iç içe tüplerin yerleşimi ve çarpma hızı parametreleri için en iyileştirme yapılmıştır. Literatürde farklı uzunluklardaki tüplerin iç içe geçmesi ile meydana gelen ezilme kutuları ve parametrik analizleri mevcut olmadığından, bu tip tüplerin maksimum deformasyonları ve enerji emme kapasitelerinin analizinin yapılması ve değerlendirilmesi bu alanda önemli bir katkı sağlamıştır. Sayısal modelleme çalışmaları sonucunda en iyi çarpışma kutusu tasarımları belirlenmiştir. Seçilen ezilme kutularının deneysel simülasyonları yapılarak analiz çalışmaları doğrulanmıştır. Bu amaçla ezilme kutularını oluşturacak olan, farklı kesit ve boylardaki kutular imal edilmiştir. Kutular birleştirilerek ezilme kutuları oluşturulmuştur. Kutular sanki statik ve farklı dinamik çarpma hızlarında test edilmiştir. Test sonuçları karşılaştırılarak optimum tasarım belirlenmiştir. Son bölümde ise Optimum tasarım üzerine farklı dinamik hızlarda ve sanki statik hızda ezilme sayısal analizleri ve deneyleri gerçekleştirilmiştir.