close

Enter

Log in using OpenID

Arka Koruma Donanımı İçin Sanal Analiz Yöntemi Oluşturma

embedDownload
OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
ARKA KORUMA DONANIMI (RUPD) İÇİN SANAL
ANALİZ YÖNTEMİ OLUŞTURMA
Caner Kara*, Ahmet Salih Yılmaz*, Marian Bulla**
*
Anadolu Isuzu Otomotiv San. Ve Tic. A.Ş.
**
Altair Almanya
ÖZET
Arka koruma donanımı (RUPD), yerden belirli yüksekliğe sahip araçlar için kaza anında nispeten küçük bir aracın
alta alınmamasını sağlayan bir donanımdır. ECE R58 ile tanımlanan regülasyonda bu tertibatın belirli yüklere dayanımı
sağlanmadan tip onayı verilmemektedir. Bu tip onayının alınması testle mümkün olduğu kadar sanal analiz ile de
mümkündür. Bu çalışmada, yapılacak olan sanal analiz için yöntem ortaya konulmuştur. Bu yöntem oluşturulurken
hesaplama maliyetleri de gözönüne alınmıştır. Çalışma sonunda validasyonu yapılmış bir sonlu elemanlar modeli ortaya
çıkartılmıştır.
Anahtar kelimeler: RUPD, AMS, ECE R-58, Eksplisit analiz, SE Modeli Validasyonu
DERIVATION OF A VIRTUAL ANALYSIS METHOD FOR THE REAR UNDERRUN PROTECTION
DEVICE
ABSTRACT
RUPD is a device that prevents the underrun of the relatively lower vehicles under the higher vehicles. It is
regulated by ECE R58 and the type approval is given by only with the durability under certain loads. It is possible to
use virtual analysis as well as real test for the approval procedure. A method has presented for the virtual analysis here
at this work. The computational costs also taken as a concern. At the end of the work a validated finite element model
had been deriven.
Keywords: RUPD, AMS, ECE R58, Explicit Analysis, FE Model Validation
regülasyona göre tip onayı almak için deformasyonlarının
test sırasında ve sonrasında belirli değerlerin altında
kalması gerekmektedir.
RUPD’un bir başka önemi ise kasa boyunu
belirlemede etkili olmasıdır. Tertibatın test sırasındaki
deformasyonu üzerinden kasanın arka
ucunun
ulaşabileceği son nokta belirlenir. Bu özellik parçanın
rijidliğine değer katmaktadır.
ECE R-58 Ek 5’te belirtildiğine göre bu tip onayının
alınması için simulasyon yeterli olmaktadır. Çalışmada
bu
simülasyon
için
yöntem
geliştirilmesi
hedeflenmektedir. Geliştirlen bu yöntem ile akreditasyon
sağlanacak ve test yerine doğrudan analizle tip onayı
alınabilecektir.
1. GİRİŞ
Son yıllarda teknolojinin ilerlemesine paralel olarak,
yüksek başarımlı hesaplama sistemlerinin gelişmesiyle,
sanal analiz yöntemleri kolaylaşmış ve endüstride sıkça
kullanılmaya başlanmıştır. Sanal analizler tasarımcının
daha az maliyetle daha işlevsel ürünler ortaya koymasını
sağlarlar ve test maliyetlerini azaltırlar. Bu çalışmada bu
amaç ile yola çıkılmış olup arka koruma tertibatı (RUPD)
için bu hedefler konulmuştur.
RUPD (Rear Underrun Protection Device),
bağlandıkları araçların binek araçlarla çarpıştıkları
takdirde, onları, bağlı oldukları aracın altına girmesini
engelleyen bir aparattır. Arka koruma tertibatı tip onayı
için gerekli olan regülasyon ECE R-58’dir. Bu
1
Sonlu
Elemanlar
Modeli
Test çıktıları
ile model
validasyonu
kriter gözönüne alınarak bir yol izlenmiştir.
Eksplisit analizlerde zaman aralığı değeri analiz süresi
ile doğru orantılıdır. Bu değerin sağlıklı sonuçlar
verebilmesi eleman boyutuna dayanmaktadır. Kritik
Doğrulanan
model ile
yeni
tasarımlar
zaman aralığı
analizin sağlıklı sonuç vermesini
sağlayan minimum zaman aralığıdır ve belirlenmesinde
aşağıdaki iki formül rol oynar;
√
;
()
Sonlu elemanlar gibi parçalara bölünmüş sistemlerde
her bir parçanın, belirlenen zaman aralığında, oluşan her
frekansa tepki verebilmesi gerekmektedir. Bu koşulların
sağlanması için yukarıdaki stabilite şartları sağlanmalıdır.
Bu koşulların sağlanmadığı durumlarda kontrollü
hatalarla (Kütle ölçekleme) veya ileri yöntemlerle (İleri
kütle Ölçekleme) kabul edilebilir çözümlere ulaşılabilir.
Bu yöntemlerdeki temel hedef, elemanlara yapay
kütle ekleyip kritik zaman aralığını büyütmektir.
Elemansal
zaman
aralığındaki
içinde
özkütle
değişkenini ihtiva ettiğinden kütle arttırımı durumunda
de artma yönünde hareket eder.
İleri kütle ölçeklemesi (Advanced Mass Scaling)
Olovsson’un makalesine göre kütle matrisine diagonal
olmayan değerler eklenir ve çıkarılır. Sonuç olarak
öteleme kinetik enerjisinde herhangi bir değişim olmaz.
Eklenen bu sanal kütle ise zaman aralığını önemli
derecede büyütebilir. Aşağıda geleneksel kütle ölçekleme
ileri kütle ölçekleme ve kütle ölçekleme olmadan
yapılmış 3 model karşılaştırılmaktadır.
Tablo 1. RUPD için Yöntem Akış Şeması
Daha önce Katti ve arkadaşları [5] ön koruma tertibatı
için kuvvet uygulanan kütüğe dönme
serbestliği
tanınması üzerine çalışmışlardır. Joseph [4] ise arka
koruma tertibatında statik olarak çalışmış olup, dinamik
çalışmanın daha doğru sonuçlar verebileceğini önermiştir.
Khore ve Jain [6] ise bir RUPD modelinin kalınlığının
çarpışma esnasındaki davranışa etkisini incelemişlerdir.
Bu çalışmada regülatif değerler değil doğrudan çarpışma
koşulları uygulanmıştır. Glavac [7] ise bu çalışmaya
benzer bir şekilde MSC Nastran kullanarak hesaplama ile
tip onayı için validasyon çalışması yapmıştır. Bu
çalışmada malzeme elasto-plastik olarak alındığından
non-lineer davranışlar da dikkate alınmıştır. Bu
makalelerdeki çıkarımlardan hareketle çalışmada eksplisit
yöntem ile analiz yapılacak ve doğruluğu yüksek bir
analiz yöntemi ortaya konacaktır. Analiz süresi ve
doğruluğu için Olovsson’un [1] ortaya koyduğu İleri
Kütle Ölçekleme yöntemi kullanılacaktır.
2. MODEL HAZIRLANMASI
Sonlu Elemanlar Metodu ile RUPD modeli
hazırlanmasında birkaç önemli girdi bulunmaktadır.
Bunlar aşağıdaki gibi sıralanmaktadır;
-
Ağ Örgüsü
Malzeme Modeli
Temas Modeli
Sayılan bu değişkenlerin her biri analiz sonuçlarına,
dolayısıyla simulasyonun doğruluğuna etki etmektedir.
Bazı koşullar ise analizin hesaplama maliyetine negatif
etki etmektedir. Bu girdilerin doğruluğunu kontrol etmek
amacıyla daha önceden test edilip onayı alınmış bir
RUPD’un sonlu elemanlar modeli hazırlanacak ve gerçek
test çıktılarıyla karşılaştırılacaktır.
Şekil 1. Kütle Ölçekleme Örnekleri [1]
En üstteki modelde 12900 zaman aralığı olup doğru
sonuç alındığı varsayılmaktadır. Ortadaki model İleri
Kütle Ölçeklemesi ile yapılmış olup, 30 kat daha büyük
zaman aralığı ile doğru sonucu vermiştir. En alttaki
geleneksel kütle ölçeklemesinde ise daha küçük zaman
aralığında hatalı sonuç elde edilmiştir.
Modelin validasyonu için ağ örgüsünün belirli
standartlarda olması gerekmektedir. RUPD için çeşitli
eleman boyutları ile denemeler yapılmış olup, model
4.1 Çözüm Ağı Örgüsü
Çözüm ağı örgüsünün önceliği sonuca az hata ile
ulaşmak olsa da, analizin hesaplama maliyetini
düşürmede önemli rolü vardır. RUPD çalışmasında bu iki
2
hazırlamadaki işgücü ve çözüm zamanı üzerinden en
uygun olanı seçilmiştir.
Ağ örgüsünün kalitesi değişken olmamalıdır.
Örgünün homojen , ortogonal olması bir gerekliliktir. Ağ
örgüsündeki
kriterlerden
başlıcaları
MinimumMaksimum açı, çarpıklık (Warpage) ve boy-en oranıdır
(Aspect Ratio). Bu kriterlere değerler belirlenerek ağ
örgüsünün belirlenen limitler içerisinde yapılması şart
konulmuştur. Bu tür limitler ağ örgüsünden bağımsız
olarak modelin doğruluğunu sağlar. Aksi durumda
sonuçlar kullanıcıyı yanıltıcı olabilir.
sertleşme parametresini, n: plastik sertleşme üstelini, :
plastik deformasyonu sembolize etmektedir. Formüldeki
2. Çarpan deformasyon hızı parametreleri 3. Çarpan ise
sıcaklık etkileridir. Bu iki kısım ihmal edildiğinde formül
aşağıdaki haline indirgenmiş olur;
Literatürden bulunan Akma, Çekme gerilmesi ve
maksimum kuvvetteki uzama değerlerinin, mühendislik
değerlerinden gerçek değerlere çevrilmesi ile istenilen
modele ulaşılabilir. Katalogdan [3] alınan malzeme
değerleri ile ERD4244 malzemesi için aşağıdaki grafik
elde edilmiştir. Johnson Cook modeli sürekli artan bir
grafik izlemektedir. Bu modelin, malzemenin boyun
verme
sonrası
davranışını
doğru
vermesi
beklenmemelidir. Bu eksiği gidermek için kopma kriteri
tanımlanabilir.
4.2 Malzeme Modeli
Malzeme modeli analizin sonuçlarına doğrudan
etkiyen bir parametredir. RUPD malzemelerindeki plastik
davranışlar parça deformasyonlarının en önemli noktasını
oluşturmaktadır. Bu bilgileri en doğru şekilde yansıtmak
amacıyla tampon sacının malzemesine (ERD 7136)
çekme testi uygulanmıştır (TSE 138 EN 10002-1).
.
Şekil 3. Malzeme Grafiği (Johnson-Cook Modeli)
Şekil 2. ERD 7136 Çekme Deneyi Numuneleri
4.3 Temas Modeli
Temas modelleri, sonlu elemanlar metodundaki
süreksizlik ve nonlineer özellikler nedeni ile,
tanımlanması oldukça zor kısımlardır. İki parçanın
arasında oluşacak çarpışma, temas, sürtünme gibi
olayların doğru tanımlanabilmesi simulasyon sonuçlarını
doğrudan etkileyecektir.
Temas modellerindeki en önemli kriter birbirine
girilemezlik ilkesidir. Buna ek olarak momentumun da
korunması gereklidir.
Test sonrasında aşağıdaki değerler elde edilmiştir.
Elde edilen çekme eğrisindeki gerilme ve uzama değerleri
RADIOSS girdi dosyasına Elastic Plastic Piecewise
Linear Material (LAW36) olarak girilmiştir.
Yukarıdaki denklemlerde, , belirtien parçanın
hızını, ise birbirine girilememezlik ilkesini sembolize
etmektedir.
traksiyon kuvvetleri olup bu eşitlik ile
momentumun korunumu sağlanmaktadır. Bu şartları
gerçeklemek amacıyla
çeşitli
temas
modelleri
oluşturabilir. RUPD için genel amaçlı TYPE7 (Radioss)
arayüzü kullanılmıştır. Bu modelde minimum boşluk gibi
değişkenlerin özenle seçilmesi gerekmektedir. Aksi
Parçadaki diğer malzeme is şasi ve braketlerin
malzemesi olan ERD 4244’tür. Bu malzeme için ayrıca
çekme testi yapılmamış olup literatürden alınan değerler
ile Johnson Cook [2] malzeme modeli oluşturulmuştur.
Johnson Cook malzeme modeli deplasman-gerilme
eğrisini aşağıdaki gibi formülize etmektedir.
̇
̇
Bu denklemde a: Akma gerilmesini, b: Plastik
takdirde sonuçlar değişkenlik gösterecektir.
3
önündeki eğilmeye dayanamayıp neredeyse 90 derece
eğildiği gözlemlenmektedir (Şekil 6).
3. SONUÇLAR
Model doğrulaması için bir çok parametre üzerinden
çalışılmıştır. Bunlardan doğru olduğu bilinen bazıları
değişken olarak alınmamıştır. Civata modeli ve eleman
formülasyonları
hiç
değiştirilmemiştir.
Temas
değişkenleri, kaynak bağlantı yöntemleri, eleman
boyutları ile oynanıp, teste en yakın değerler elde
edilmeye çalışılmıştır.
RUPD testi için yapılan çalışmada Şekil 4’te
görüldüğü üzere, tahtadan bir kütük ile kuvvet uygulanıp,
test esnasında ve sonrasındaki deplasman ve kuvvetler
kaydedilmiştir.
Şekil 6. Analiz Sonucu
Tablo verilerinin doğru sonuca uzak olması sebebi ile,
daha önce bahsedilen Johnson Cook modeli ile deneme
yapılmıştır. Bu denemede görülmüştür ki plastik
bölgedeki süreklilik gerçeğe daha yakın sonuçlar
vermektedir. Bu, malzemeye ve geometriye has bir
özellik olarak algılanmalıdır.
Doğru zaman aralığında koşturabilmek ve çıkacak
hataları kontrol altına alabilmek adına mevcut aparat
modeli üzerinde denemeler yapılmıştır. Bunlardan
yakınsayan modeller aşağıda verilmektedir. Bu 7 farklı
modelde ilk olanı otomatik zaman aralığı atanması ile
koşturulmuş olup sonucun zaman aralığı açısından doğru
olduğu varsayılmıştır.
Şekil 4. RUPD Deneyi
Regülasyona göre 3 farklı noktadan kuvvet
uygulanmaktadır. Bunlardan ilki aparatın dışına yakın
kısımlara uygulanan araç ağırlığının dörtte biri kadar olan
kuvvettir. Diğer ikisi ise orta kısma ve şasi bağlantı
kısımlarına uygulanan maksimum araç
ağırlığının
yarısına tekabül eden kuvvetlerdir. Şekil 5’te uygulanan
bu kuvvetlerin yerleri gözükmektedir.
Zaman
Aralığı
Otomatik
AMS
RMS
Deplasman
Süre
+
+
+
+
+
+
-
35 - 19.6
35 - 17.5
32.5 - 17.5
33.5 - 19
34 – 19.2
34.9 – 19.5
35 – 19.6
35:43
20:28
08:18
12:36
18:32
24:49
44:14
Tablo 2. Sonuç Karşılaştırmaları
Analizler Intel Xeon E5-2630 2.30 GHz ile 14
çekirdek kullanılarak koşturulmuştur. Zaman aralığının
otomatik olarak hesaplandığı yöntemde bu değer yaklaşık
olarak
’dir. Tablodan görüldüğü üzere, zaman
aralığı büyüdükçe analiz süresi kısalmakta olup,
yakınsama azalmaktadır. Bu çıktılar üzerinden bir
değerlendirme yapılacak olursa küçük hata payı
sayesinde ’lık AMS’li model %30 civarında
hesaplama tasarrufu yapmaktadır. Şekil 7’deki grafikte
elastik ve plastik şekil değişimleri daha net
gözlemlenmektedir.
Şekil 5. Deney Prosedürü
Bu bölgelerden uygulanacak kuvvetlerde en kritik
olanı, desteğinin uzakta olmasından ötürü P1’dir ve
doğrulama çalışmaları bu yükleme senaryosu üzerinden
yapılacaktır.
Aşağıdaki uygulamada malzeme bilgileri LAW36 ile
girilmiş olup, çekme eğrisi doğrudan tanımlanmıştır. Bu
girdiler ile alınan sonuçta aparatın desteklendiği yerin
4
Şekil 7. Sonuç Karşılaştırmaları
Deformasyon hızı etkisinin ihmal edildiği bu sonlu
elemanlar modelindeki sonuçlar test sonuçlarına oldukça
yakındır. Bu da modelin validasyonunun başarılı
olduğunu gösterir.
Açıklamalar
Test
Sonuçları
Analiz
Sonuçları
Kuvvetin
uygulandığı yer
(Simetri
eksenine
uzaklığı)
-761 mm
-765 mm
Uygulanan test
kuvveti
3125 kg
30.656 kN
-
Ölçülen test
kuvveti
31.30 kN
31.30 kN
Maksimum yer
değiştirme
33.0 mm
34.9 mm
Test sonrası yer
değiştirme
19.0 mm
19.6 mm
Şekil 9. Test Sonucu
Sonuç olarak RUPD tip onayının alınması için
gereken test prosesi, sanal analiz ile kurulup
doğrulanmıştır. Çalışmada doğruluk kadar hesaplama
maliyetleri düşürülmesi üzerinede çalışılmış olup İleri
Kütle Ölçekleme yöntemi ile daha kısa analiz süreleri
sağlanmıştır. Plastik deformasyonun olması sebebiyle
eksplisit
analiz
koşturulduğundan
sonuçlardaki
deformasyonun doğru olması beklenmektedir.
Oluşturulan bu prosedür ile, tip onayı almak için teste
ihtiyaç kalmayacaktır. Ayrıca tasarım için önemli çıktılar
elde edileceğinden hafifletme ucuzlatma çalışmaları daha
kolay yapılabilecektir.
KAYNAKLAR
1. Olovsson L. ,Simonsson K. “Selective mass
scaling for explicit finite element analyses “ ,
International Journal for Numerical Methods in
Engineering, ISSN 1097-0207
2.
Johnson G. Cook W. “A Constitutive Model
and Data for Metals Subjected to Large
Strains, High Strain Rates and High
Temperatures”
3.
Erdemir Ürün Kataloğu 2011
4.
Joseph G., Dhananjayshinde , Patil G. 2003,
“Design and Optimization of the Rear
Underrun Protection Device using LSDYNA” International Journal of Engineering
Research and Applications vol.3
5.
Katti A., et. al.,2011 “Importance of
Representing Impactor Articulation
in
AIS069 (Front Under run Protective Device)
Using RADIOSS” HTC2011
6.
Khore A., Jain T. 2013 “Effect of Change in
Thickness of Rear Under Run Protection
Device
on
Energy
Absorption
&
Crashwothiness” International Journal of
Tablo 3. Test-Analiz Kıyası
Tablo 3’te görüldüğü üzere elastik ve plastik yer
değiştirmeler, test sonuçlarıyla neredeyse birebirdir.
Görsel olarak da deformasyonlar kontrol edilmiştir.
Aşağıdaki sanal model ile gerçek model arasındaki
hareket uyumu çok yüksektir. Şekil 8’de, kuvvetin
maksimum olduğu anlarda plastik deformasyonlar renk
skalası ile gösterilmektedir.
Şekil 8. Analiz Sonucu
5
Engineering Research & Technology Vol. 2
7.
Glavac M., Ren Z., 2001, “Computational
Approval of rear Underrun Protection Device
with MSC NASTRAN”
6
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
2
File Size
468 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content