OTEKON2012
6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
04 – 05 Haziran 2012, BURSA
ARAÇ KOLTUK BAĞLANTILARININ BENZETİM DESTEKLİ
OPTİMUM TASARIMI
Ferruh Öztürk1, Gökhan Şendeniz2, Gürkan Ayyıldız2, Emre Dolaylar2
1
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Bursa
2
GRAMMER Koltuk Sistemleri San. ve Tic. A.Ş. DOSAB Mustafa Karaer Caddesi Bursa
ÖZET
Otomotiv endüstrisinde parça ve sistem tedarikçisi olarak yer alan firmaların yenilikçi tasarım için yapacakları
tasarım ve optimizasyon çalışmaları önümüzdeki yıllarda sektörde ki konumlarını belirleyecektir. Bu nedenle,
rekabet edebilecek teknolojiye dayalı üretim yapabilmek için araç koltuk üretiminde sanal ortamda tasarım ve
optimizasyon teknikleri kullanımının benimsenmesi ve optimizasyon tekniklerinin koltuk tasarım ve imalat sürecine
entegrasyonu gerekmektedir. Bu bildiride araç koltuk bağlantılarının sanal ortamda benzetim ve optimizasyon
teknikleri kullanımı ile tasarlanması çalışmaları anlatılmıştır.
Anahtar kelimeler: Araç koltuk tasarımı ve imalatı, Koltuk bağlantı elemanları, Optimizasyon
ABSTRACT
In the coming years , the firms that are involved in the automotive industry as supplier of parts and system will do
design and optimization studies for innovative design and these studies will determine their position in the sector.
Therefore , in order to make production based on competitive-technology , adoption of using design and
optimization techniques and integration of seat design and manufacturing process of optimization techniques are
required in the production of car seat in virtual environment. In this paper, design studies regarding car seat
pedestal with the use of simulation and optimization techniques in virtual environment are discussed.
Keywords: Vehicle seat design and manufacturing, Seat pedestal, Optimization
ağırlığının azaltılmasıdır. Koltuk üreticileri yaptıkları
yeni tasarımlarda bunu dikkate almaktadır.
1. GİRİŞ
Günümüzde araç geliştirme ve araştırma çalışmalarında
daha hafif araçların tasarımı ve üretimi daha ekonomik
ve düşük emisyonlu araçların tasarımı açısından önem
arz etmektedir. Önümüzdeki yıllarda artan oranda
piyasada yer alması beklenen hibrit ve elektrikli araçlar
açısından da araç ağırlıklarının azaltılması en önemli
araştırma konularından birisidir.
Hafiflik istenen temel hedef olsa da bunu en ucuz ve en
kolay üretim yöntemi ile yapılması gerekmektedir.
Üretilecek en uygun ayağında koltukla beraber belli
regülasyonları sağlaması gerekmektedir.
Koltuk bağlantı elemanı olan ayakların üretim öncesi
tasarımlarını doğrulamak adına bazı optimizasyon ve
sonlu eleman analizleri yapılmaktadır. Tasarımı
yapılan ayakların sonlu elemanlar modeli bu çalışmada
Hyperworks programı ile oluşturulmuştur. Bu model
üzerinden Optistruct çözücüsü ile optimizasyonlar
gerçekleştirilir. Daha sonra ise Radioss çözücüsü
yardımı ile koltuk emniyet kemer çekme testi
Araç yolcu koltukları incelendiğinde yapıyı 3 temel
gruba ayırabiliriz. Bunlar arkalık, oturak-şase ve koltuk
bağlantı elemanı ayaktan oluşmaktadır. Araç bağlantı
elemanı olarak nitelendirdiğimiz ayakların önemli bir
ağırlığı mevcuttur. Araç üreticilerinin son zamanlarda
koltuktan beklediği en temel hedeflerden birisi araç
1
simülasyonlarına (ECE-R 14) tabi tutulan ayakların
Von-Misses değerleri ile yüzde uzama değerleri göz
önüne alınarak küçük lokal kopmalar olsa da yapının
bütünlüğünü koruyup, uygulan kuvvetlere dayanması
göz önüne alınır [3,4,6].
Fonksiyonlar ve ergonomik açıdan uygunluklar test
edildikten sonra uygulanabilen fiziksel testlerle de
yapısal mukavemetleri doğrulanır. Regülâsyonlarda
sağlanmış olur. Bu sayede simülasyonlar ile fiziksel
testler arasındaki korelasyon da yapılmış olur.
Bu bildiride takip eden bölümlerde araç koltuk
bağlantılarının
sanal
ortamda
benzetim
ve
optimizasyon teknikleri kullanımı ile tasarlanması
çalışmaları uygulama örnekleri verilerek anlatılmıştır.
Tasarım tamamen tamamlandıktan sonra gerekli
kalıplar oluşturulur. İlk parçalar üretilerek koltuk
prototip merkezinde son haline getirilir. Eğer gerekirse
kalıplar revize edilerek seri üretim öncesi tüm
eksiklikler giderilir.
2. ARAÇ KOLTUK TASARIM VE İMALATI
Koltuk tasarımı yapılırken öncelikle hedef pazar
araştırılır. Araç sınıfı tespit edilerek hangi kategoride
kullanılacak bunlara dikkat edilir. Müşteri isteklerine
kolay adapte edilecek, farklı yapısal değişikliklere
imkân verecek şekilde bileşenler oluşturulur.
3. ARAÇ KOLTUK TASARIM DOĞRULAMA
TEST VE SİMULASYONLARI
Araç sınıflarını tanımlamak adına belirli kategoriler
oluşturulmuştur. Bunlar N ve M sınıfı olarak
isimlendirilir. N sınıfı yük taşıma amacıyla tasarlanmış
ve imal edilmiş, en az 4 tekerlekten oluşan araçları
kapsamaktadır. M sınıfı ise yolcu taşıma amacıyla
tasarlanmış ve imal edilmiş, en az 4 tekerlekli araçları
kapsamaktadır. Bu projede yolcu koltukları yani M
sınıfı araçlar ile çalışılmıştır. M sınıfı araçların
kategorilerini incelersek;
Bir koltuk oluşturulurken daha önceden yapılmış
çalışmalar, piyasada bulunan mevcut koltuklar iyi etüt
edilerek farklı tasarıma sahip bir ürün oluşturulur.
Yolcu koltuklarını ele aldığımızda standart koltuğun
yanında müşterinin de beklentileri vardır. Araç
bağlantıları, aracın gürültü ve titreşim sorunları,
koltuğun ağırlığı, ek fonksiyonlar gibi. Ek
fonksiyonları açıklayacak olursak; örneğin koltuğun
yana açılması, koltuğun 2 nokta ya da 3 nokta emniyet
kemerli olması, tablet paralellik ayarı, arkalık eğiklik
ayarı gibi etkenler koltuğun tasarımını ve yapısını
değiştirmektedir.
1-M1
Kategorisi:
Yolcu
taşıma
amacıyla
tasarımlanmış ve imal edilmiş, sürücü koltuğuna ilave
olarak en fazla sekiz kişilik oturma yeri olan motorlu
araçlardır.
2-M2
Kategorisi:
Yolcu
taşıma
amacıyla
tasarımlanmış ve imal edilmiş, sürücü koltuğuna ilave
olarak sekizden fazla oturma yeri olan ve azami kütlesi
5 ton'u aşmayan motorlu araçlardır.
3-M3
Kategorisi:
Yolcu
taşıma
amacıyla
tasarımlanmış ve imal edilmiş, sürücü koltuğuna ilave
olarak sekizden fazla oturma yeri olan ve azami kütlesi
5 ton'u aşan motorlu araçlardır.
Bir koltuk oluşturulurken öncelikle Bilgisayar Destekli
Tasarım ile sanal ortamda dizaynı yapılır. Koltukta
istenen fonksiyonlar da göz önünde bulundurularak
koltuğun bileşenleri CAD ortamında oluşturulur. Bu
aşamada daha önceden tasarlanan koltuklar da incelenir
ve gerekirse ortak parçalar kullanılarak maliyetler
azaltılır. Bileşenler oluşmaya başladığında her biri
kendi yük koşullarında sonlu elemanlar modeli
oluşturularak simülasyona tabi tutulur [1]. Bu sayede
ilk yatırım masrafları düşürülür. Ayrıca koltuk
bileşenlerinin üretilebilirliği araştırılarak tasarıma yön
verilir. Tasarım belirli aşamaya getirildiğinde prototip
kalıpları oluşturulur. Bu sayede koltuk fonksiyonlarının
çalışalabilirliği test edilir ve ergonomik açıdan sünger
yapısı oturularak denenebilir. Sünger yapısı ile beraber
prototip merkezinde kılıf çalışması başlar. Pastallar
oluşturulur ve farklı döşeme türleri denenir. Bu sayede
görselliğine bakılır ve müşteriye sunulur.
M sınıfı araçlarda koltukların belirli homologasyon ve
şartları sağlaması istenmektedir. Bu yüzden koltuk
tasarımı yapıldıktan sonra seri üretime geçmeden önce
koltuk belirli şartlarda test edilmektedir.
Araç koltuklarında uygulanan başlıca testler şunlardır;
1-Crash Testi ( ECE R17/R80 ) : Aracın ani frenleme
ya da çarpma anını simüle eder (Şekil 1).
2
4-Oturak ve Arkalık İtme-Çekme Testleri: İki
şekilde yapılır. Birincisi belirli bir statik yük altında bir
defaya mahsus olmak üzere koltuğun arkalık ve oturak
dayanımını ve esnemesini görmek adına yapılır.
İkinicisi ise belirli bir statik yük altında belirli bir
frekans ve belirli bir çevrimde koltuk ile oturağın
dayanımını görmek adına yapılır (Şekil 4).
Şekil1: Crash testi
2-Emniyet Kemer Çekme Testi (ECE R14 – 76/115
EWG): Aracın bir bakıma çarpışma anında koltuğa
gelen yüklerini simüle eder (Şekil 2).
Şekil4: Arkalık dayanım testi
5-Çuval Düşürme Testleri: Koltuğun belirli bir
kilogramdaki ağırlığa, belirli bir frekans ve çevrimde
dayanımını görmek adına yapılır.
6-Enerji Dağılım Testi ( 74/60/AT ): Koltuğun
çarpışma anında insan vücudunun uyguladığı enerji
dağılımını görmek adına yapılır. Crash test yapılmıyor
ise yapılır (Şekil 5).
Şekil2: 3 nokta emniyet kemer çekme testi
3-Arkalık İtme Testi ( 74/408/AT ): Koltuğun belirli
ölçüler arasında esnemesini test etmektedir. Eğer crash
test yapılmıyor ise yapılır (Şekil 3).
Şekil5: Enerji dağılım testi
Tüm testler insan güvenliği ve koltuğun uzun süre
kullanımı adına yapılmaktadır. Her test gerekli
normları sağlamalıdır. Tasarımı yapılan koltuğun
birçok testi sağlaması gerektiği göz önüne alınırsa
yapılacak küçük bir tasarım hatası, yatırımların boşa
Şekil3: Arkadan itme testi
3
gitmesine yol açabilir. Bu nedenle Bilgisayar destekli
benzetim ve sayısal analiz teknikleri yapılarak, üretim
öncesinde oluşabilecek riskler ile geri dönüşümler
minimuma indirgenmektedir.
zamanda maksimuma ulaşıp, bu maksimum yükte
yapının bu yüklere dayanması gerekmektedir.
Koltuğu uygulan kuvvetler aracın dahil olduğu sınıfa
göre hesaplanmaktadır
Yukarıda belirtilen Crash Testi, Emniyet Kemer
Çekme Testi, Arkalık İtme Testi gibi testlerin
simülasyonlarının yanı sıra dizayn aşamasında koltuğu
oluşturan her bir bileşenin sonlu elemanlar
simülasyonları yapılmaktadır. Örneğin koltuk araç
bağlantılarının yani koltuk bağlantı elamanı tasarımı
yapılırken, bu bileşene gelecek yükler tahmin
edilebilir. Dizaynı yapılan ayağın sonlu elemanlar
modeli oluşturularak yük altında davranışı incelenerek
tasarıma yön verilir (şekil 6). Bu sayede koltuğun her
bir bileşeni kendi içerisinde doğrulanıp maksimum
yüklere dayanabilecek bir koltuk elde edilebilir.
4. KOLTUK BAĞLANTI ELEMANLARININ
TASARIMI VE SİMÜLASYONLARI
Koltuk bağlantı elemanlarının yani ayakların tasarımı
sırasında dikkat edilmesi gereken hususlar vardır. İlk
olarak müşterinin aracındaki koltuk bağlantı yerleri ve
oturma pozisyonundaki oturma yükseklikleridir.
Koltuğun oturma yüksekliğini ayağın boyutlarıyla
ayarlanır. Bu yüzden tasarımı yapılan koltuk
bağlantılarının yükseklik aralığına göre dizaynı yapılır.
Dizaynı yapılan ayakların en kısa ve en uzununun
üretilebilirliği incelenmelidir.
Müşterinin diğer bir isteği de koltuğun hafif olmasıdır.
Koltukta ayakların ağırlığı önemli bir yer tutmaktadır.
Bunu hafifletmek adına üretim yöntemleri ve alternatif
malzemeler araştırılmaktadır.
Koltuk araç bağlantılarını en iyi şekilde testini sağlayan
ise emniyet kemer çekme testidir. Bu emniyet kemer
çekme
testleri
ECE-R
14
regülasyonunda
tanımlanmıştır.
Yapılan çalışmada alternatif üretim yöntemleri ve
malzemelere
göre
emniyet
kemer
çekme
simülasyonlarından geçebilirliği esas alınmıştır. Bunun
sonucunda da maliyetler araştırılmıştır. Koltuk araç
bağlantı elemanları testi geçmelidir fakat minimum
malzeme kullanılmalıdır. Bu koltuğu hem hafifletmek
hem de gelen yükleri absorbe etmek içindir.
ECE-R 14 regülasyonuna göre emniyet kemer
bağlantıları test edilmektedir. Her bir koltuk bağımsız
olarak şartnameye göre fiziksel test edilmekte ve onayı
alınmaktadır. Regülasyona göre ölçüleri belirli alt ve
üst çekme aparatları ile statik yükler koltuğa
uygulanmaktadır.
Çalışmada bir koltuk tipi seçilerek ayak tipleri
değiştirilmiş ve yapının 3 nokta emniyet kemer çekme
testi simülasyonları yapılmıştır. Alt bloktan ve üst
bloktan yük uygulanarak zamana bağlı explicit analizi
yapılmıştır (Şekil 7).
Şekil 6: Alt ve üst çekme bloklarının sonlu elemanlar
modeli
Fiziksel test sonucunda yapıda oluşan kalıcı
deformasyonlar ve lokal biçimde oluşan kopmalar
regülasyona uygunluğu engellememektedir. Test
sonucunda
yapının
bütünlüğünü
koruması
istenmektedir. Test koşullarında yükler en kısa
Şekil7: Modele etki eden kuvvetlerin grafiği
4
Şekil11: Profil ayağın Von-Mises gerilme dağılımı
Şekil8: Koltuğun sonlu elemanlar modeli
İlk olarak S235JR malzemesinden pres ayak tasarımı 3
nokta emniyet kemer çekme testi simülasyonundan
geçer hale getirilmiştir (Şekil 9-10).
Şekil12: Profil ayağın plastik gerinme dağılımı
Son olarak ta alüminyum alaşımlı bir ayağın tasarımı
yapılarak teste tabi tutulmuştur (Şekil 13-14).
Şekil 9: Sac pres ayağın Von-Mises gerilme dağılımı
Şekil13:
dağılımı
Alüminyum ayağın Von-Mises
gerilme
Şekil10: Sac pres ayağın plastik gerinme dağılımı
Daha sonra yine aynı malzemeden profil ayak tasarımı
yapılarak testten geçmesi sağlanmıştır (Şekil 11-12).
Şekil14: Alüminyum ayağın plastik gerinme dağılımı
5
5. KOLTUK ELEMANLARININ
TASARIM YÖNTEMLERİ
OPTİMUM
3-Şekil Optimizasyonu: Tasarımın şekil değişkenleri
ile oynayarak optimizasyonunun yapılmasına dayanır.
Optimizasyon matematiksel olarak “bir fonksiyonun
maksimum veya minimum değerini veren durumların
bulunması
işlemidir”
şeklinde
tanımlanabilir.
Optimizasyon mühendislikte ise; “Verilen koşullar
altında en iyi sonucu elde etme işlemidir” şeklinde
ifade edilir [5].
4-Boyut Optimizasyonu: Malzeme özellikleri,kesit
boyutları ve kalınlarının en uygun parametrelerinin
bulunmasını sağlayan optimizasyon yöntemidir.
Optimizasyon teknikleri ile koltuk minimum maliyette
ve en hafif şekilde üretilir.
Bir optimizasyon veya matematiksel programlama
problemi aşağıdaki gibi ifade edilebilir;
6. SONUÇLAR
Yapılan çalışmalarda tasarım, sonlu elemanlar
optimizasyonları ve simülasyonları ve fiziksel testler
bir arada yürütülerek ihtiyaçlara yönelik bir koltuk araç
bağlantısı yani ayak tasarımları yapılmıştır. Dizaynı
oluşturulan ayakların sonlu elemanlar modeli
oluşturulmuştur. Oluşturulan modeller üzerinden şekil
ve boyut optimizasyonları yapılmıştır. Optimizasyon
sonucu ortaya çıkan ayaklara 3 nokta emniyet kemer
çekme testi explicit analiz(kapalı çözüm) şeklinde
uygulanarak testten geçer hale getirilmiştir.
Bir F(x) fonksiyonunu
aj(x) ≤ kj j=1,2,…, n
bj(x) =lj j=1,2,…, m
şartları altında minimum yada maksimum kılacak
X={x1,x2,… xn} değerlerinin bulunması şeklinde
tanımlanabilir. Burada x, n boyutlu bir tasarım vektörü,
F(x) amaç fonksiyonu, aj(x) ler eşitsizlik şeklinde ifade
edilen kısıtlar, bj(x) ler eşitlik halinde ifade edilen
kısıtlar ve kj ile lj sabitlerdir. Optimizasyon
problemleri
F(x)’ in
şekline
bağlı
olarak
sınıflandırılabilirler. Eğer F(x) ve kısıtlar doğrusal ise,
doğrusal(lineer) programlama söz konusudur, eğer F(x)
kısıtlarda doğrusal değilse, doğrusal olmayan
programlama söz konusudur.
Tüm bunlar yapılırken seride üretimde bulunan
koltukların fiziksel testleri ile simülasyonları
karşılaştırılarak korelâsyonları gerçekleştirilmiştir.
Simülasyon sonuçlarında koltuk ayaklarında yüzde
uzamanın kopma sınırını geçmemesi esas alınmıştır.
Bu sayede optimum koltuk araç bağlantıları
oluşturulup gelecek projeler için yeni dizaynlar
doğrulanmıştır.
Optimizasyon yapılırken tanımlanması gereken ifadeler
vardır. Bunlar amaç fonksiyonunun çıkarılması,
tasarım değişkenlerinin belirlenmesi ve kısıtlamaların
tanımlanmasıdır. Çok amaçlı problemlerde kriter
sayıları belirlenen amaçlara göre tespit edilir. Bu
çalışmada tek amaçlı optimizasyon yapılmıştır.
Optimizasyon eldeki değerler içerisinden en iyi olanı
seçmektir. Yani bir kriter belirlenmelidir. İşte bunun
matematiksel olarak tasarım değişkenleri cinsinden
ifadesi amaç fonksiyonudur. Sistemde bazı nicelikler
belirlenir. Bazıları sabit kabul edilir, bazıları tasarım
boyunca değişir. Bunlara tasarım değişkenleri denir.
Tasarımın en uygun halini almasını sağlayan
sınırlamalara ise kısıtlamalar denir.
KAYNAKLAR
1. Dassault Systems, Catia Software.
2. HyperWorks, Altair OptiStruct and Radioss
Software.
3. Klaus Hessenberger, 2003 “Strength Analysis of
Seat Belt Anchor age According to ECE R14 and
FMVSS”, 4th European LSDYNA Users
Conference
4. TÜV SÜD, 2011 “ AB Mevzuatı Çerçevesinde
Motorlu
Araçların
Koltukları
İle
İlgili
Homologasyon Eğitimi”
5. ARORA,J.S. 2004. Introduction to Optimum
Design. Second Edition. Elsevier Academic Press,
San Diego. ISBN: 0-12-064155-0. 728p.
6. Sanayi ve Ticaret Bakanlığı, “Motorlu Araçların
Emniyet Kemeri Bağlantı Parçaları İle İlgili Tip
Onayı Yönetmeliği”(76/115/AT).
Tasarım modelinin optimizasyon çalışmaları için paket
programlar (Optisruct vb.) ve optimizayon teknikleri
kullanılmaktadır [2]:
1-Topoloji Optimizasyonu: Optimizasyonu yapılacak
parçanın dış boyutlarında herhangi bir değişiklik
olmaksızın, parçanın rijitliğini artıracak şekilde belirli
bölgelerden malzeme boşaltılması esasına dayanır.
2-Topografya
Optimizasyonu:
Şekil
optimizasyonunun gelişmiş bir şeklidir. Düzlemsel
olarak parçanın topografisinin optimizasyonu yapılır.
6
© Copyright 2024 Paperzz
