OTEKON 2014 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26 – 27 Mayıs 2014, BURSA OTOBÜS TASARIM VE TASARIM DOĞRULAMA SÜRECİNDE OPTİMİZASYON TEKNİKLERİ UYGULAMALARI Fatih Kağnıcı* Anadolu Isuzu Otomotiv Sanayii A.Ş. * ÖZET Otobüs gövde tasarımında farklı disiplinler dikkate alınarak tasarıma yön verilmektedir. Araç gövdesi tasarlanırken çarpışma güvenliği, NVH (Titreşim, Gürültü ve Rahatsızlık),dayanım ve ağırlık disiplinleri için belirli hedeflere sahip olmak zorundadır. Bu disiplinler genel olarak devrilme ve çarpma sonucu hasarlara karşı gövdenin gösterdiği şekil değiştirme ile gövdenin eğilmeye, burulmaya ve dinamik etkilere karşı gösterdiği direnç olarak düşünülebilinir. Geleneksel otobüs gövde geliştirme sürecinde ancak gövde yapısı ortaya çıktıktan sonra çarpışma güvenliği, NVH ve dayanım ile ilgili hedefler incelenebilmektedir. Dolayısıyla tasarımda sürekli bir iterasyona gidilmektedir. Her ne kadar, CAE (Bilgisayar Destekli Mühendislik) yöntemleri bu sürece yardımcı olsa da tasarımın farklı hedeflere sahip olması, ortaya istenilen tasarımın çıkmasına engel olmaktadır. Bu çalışmada sunulan metodoloji sayesinde özellikle otobüs gövdelerinin karkas yapı profilleri tasarlanmadan daha önce çarpışma güvenliği, NVH ve dayanım ile ilgli disiplinler arasında minimum ağırlık hedef alınarak optimum bir otobüs gövdesi ortaya çıkarılacaktır. Tamamıyla CAE araçları ile optimizasyon yöntemleri kullanılarak elde edilecek gövde yapısının hem sanal hem de gerçek validasyonları yapılarak hedef değerler ile karşılaştırılabilecektir. Anahtar kelimeler: Otobüs, Gövde, Optimizasyon, Toploji, Boyut, Kalınlık, Ağırlık, Çarpışma Güvenliği, NVH, Dayanım, Validasyon, Simülasyon, Sonlu elemanlar, Test APPLICATION OF OPTIMIZATION TECHNIQUES IN BUS PRODUCT DEVELOPMENT PROCESS ABSTRACT Bus body design direction is given by considering the different disciplines . When designing the vehicle body, crashworthiness, NVH, strength and weight must have specific goals for each discipline. These disciplines can be classified that torsion, bending and dynamic stiffness of bus body also deformation of the body in case of crash and rollover. In traditional bus development process, first bus body structure arise than crash safety, NVH and durability targets can be examined on. Although , CAE ( Computer Aided Engineering ) design methods assist in this process , though having different objectives , prevent the outbreak of the desired design is revealed.Through the methodology presented in this study, the carcasses of bus body building profiles before being designed, crash safety, NVH and durability targets related with the minimum weight of an optimal target the bus body will be revealed. CAE tools completely obtained using the optimization method of the structure body to be made in both virtual and real validations may be compared with target values. . Keywords: Bus Body, Optimization, Validaiton, Simulation, Crash, NVH, Durability, Weight başlanmaktadır. Burada firmanın daha önceki ürünlerinin yanında, rakip firmaların yaptıkları ürünler de etkili olmaktadır. Fakat, araç tasarımı yapılırken birden çok disiplini göz önünde tutularak tasarım hedefleri konmaktadır. Bu disiplinler şu hedeflerden oluşmaktadır. 1) Gövdenin kaza anında devrilmeye ve ya çarpmaya karşı gösterdiği şekil değiştirme 2) Gövdenin eğilme ve 1. GİRİŞ Otomotiv ürün geliştirme süreçlerinde, önceliklli olarak tasarlanacak aracın konsept tasarımı yapılmaktadır. Konsept tasarım neticesinde ortaya çıkan genel araç yerleşimine göre gövdenin ve bağlantı braketlerinin bilgisayar ortamında mühendislik geliştirilmesine 1 burulmaya aynı zamanda dinamik zorlanmalara karşı gösterdiği direnç 3) Gövde bağlantı braketlerinin sahip olması gereken dayanım kriteri. 4) Minimum ağırlıkta gövde yapısı. kısalacaktır. Düşük ağırlıkta gövde yapısı, sadece maliyet açısından değil aynı zamanda düşük yakıt tüketimini sağladığı için yakıt sonrası gazların doğaya verdiği zararları azaltacaktır. Araç gövdesi ortaya çıktıktan sonra, validasyon aşamasına gelmeden CAE yöntemleriyle iterasyonlar yapılır ve her bir disiplin için tasarım hedefleri tutturulmaya çalışılır. Bu durum, maliyet ve süre açısından bir handikap olduğu kadar bütün disiplinler için hedefleri aynı oranda tutturmak mümkün olamamaktadır. Bunun yanında bu disiplin hedefleri tutturulsa bile ağırlık olarak araç minimize edilemesi zorlaşmaktadır. Bu durum validasyon süreçlerini etkilediği gibi, birden fazla prototip üretilerek tasarım inceleme yoluna gidilmesine neden olmaktadır. Yapılan her bir prototip hem maliyet olarak hem de zaman olarak bir dezavantaj yaratmaktadır. Her ne kadar dünyada ve ülkemizde sanal validasyon süreçlerine geçilse de araç tasarım kriterlerini ve hedeflerini tutturmak, en önemlisi minimum ağırlıkta gövde yapısı elde etme amacına ulaşmak kolay olmamaktadır. Mevcut otobüs ürün geliştirme sürecinde öncelikli olarak aracın tanımı ve iç-dış paketlemesi yapılmaktadır. Devamında endütriyel tasarım çalışması yapılarak aracın gene boutları şekillendirilmektedir. Elde edilen çıktının konsept tasarımı ile ilk gövde yapıları elde edilirken aynı zamanda fizibilitesi de ortaya çıkarılmaktadır. Burada benchmark çalışmaları önemli rol oynamaktadır. Devamında ortaya çıkan gövde yapısının temel yapısal yeterlilikleri incelenmektedir. Bu incelemeler, NVH çalışmaları (eğilme, burulma ve dinamik rijitlikler) ile sınırlı kalmakta olup sadece önceden belirlenmiş bu kriterlere göre gövde yapısı tasarlanmaktadır. Bu çalışmalar CAE yöntemleri sayesinde iterasyonlar ile gerçekleştirilmekte olup hedef değerler tutturulana kadar iterasyonlara devam edilmektedir. Hedef değerleri elde edilen gövde yapısı ile ikinci aşamaya geçilerek detay tasarıma başlanmaktadır. Detay tasarım aşamasında aracın sahip olması gereken diğer özellikleri; maliyet, servis edilebilirlik, üretilebilirlik, yapısal dayanım ve performans kriterleri de dahil edilerek tasarım çalışmaları yapılmaktadır. Tasarımın donması ve devamında ortaya çıkarılan doğrulama prototipleri ile aracın önceden belirlenmiş özellikleri test edilerek araç imalata hazır hale getirilmektedir.[1] Şekil 1. Mevcut Otobüs Ürün Geliştirme Süreci [1] 2. YÖNTEM Bu çalışma kapsamında önerilen süreci bir uygulama örneği ile anlatılacaktır. Burada ilk önce yeni tasarlanmakta olan bir otobüs gövdesinin kavramsal tasarımından başlanarak sürecin uygulama adımları ile birlikte anlatılacak, neticesinde yeni sürecin diyagramı çıkarılacaktır. (Şekil 2) 2.1 Hedeflenen Araç Tasarımın Genel Boyutlarının Belirlenmesi Bu adımda optimizasyonu hedeflenen araç gövdesi için genel parametreler belirlenecektir. Gövde tasarım hacminin geometrik kısıtlarını oluşturacak olan parametrelerle ilk önce aracın iç paketlemesi belirlenecektir. İç paketleme şu kısımlardan oluşmaktadır; - Aracın hangi sınıf bir araç olacağı, - Kaç kişi taşıma kapasitesine sahip olduğu, - Kaç kişinin otururak ve ayakta olarak taşınacağı, - Koltukların yerleşimi, - Direksiyon, pedal ve ön konsol yerleşimi, vb. Bu çalışma kapsamında önerilen otobüs ürün geliştirme süreci ile mevcut ürün geliştirme sürecinde büyük bir bölümde yer alan CAE iterasyonları ortadan kaldırıldığı için daha kısa sürede otobüs tasarımları yapılabilecektir. Aynı zamanda çok amaçlı optimizasyon uygulması sayesinde disiplin hedefleri optimum değerlerde tutularak minimum ağırlıkta otobüs gövde tasarımı mümkün olabilecektir. Ayrıca ürün, tasarım sürecinin başında optimize edildiği için, tasarım validasyon süreci de 2 Şekil 2. Yeni Sürecin Uygulama Adımları Devamında aracın gövde altı kısımlarının düzeni ve yerleşimine karar verilecektir. Bu aşamada önceki versiyon araçlar incelenerek, optimizasyonu hedeflenen aracın hangi alt paketlemede yerleştirileceği karar verilecektir. Bu yerleştirmeye göre süspansiyon sistemi seçilerek aracın hedeflenen araç dinamiği özellikleri baz alınacaktır.(Şekil 3) çalışmalar yapılıp hedef değerlerin belirlenecektir. İlk önce, bir önceki seviye aracın hem NVH hem de güvenlik kriterlerine uygun ayrı ayrı sonlu elemanlar modeli oluşturulacaktır. Sonlu elemananlar modeli oluşturulan araç gövdesinin devrilme analizleri yapılarak ortaya çıkan kontak kuvvetleri hesaplanacaktır. Bu kuvvet değeri, optimizasyon için devrilme sınır şartı olarak kullanılacaktır. (Şekil 4) Benzer olarak araç gövdesini önden çarpma analzileri yapılarak ortaya çıkan kontak kuvvetleri hesaplanacak ve bu kuvvet değeride önden çarpma sınır şartı olarak optimizasyonda kullanılacaktır. Gövde yapısının NVH açısından hem statik hem de dinamik olarak belirlenen hedeflere ulaşması gerekmektedir. Bu nedenle, bir önceki seviye aracın öncelikli olarak statik rijitlikleri incelenmesi gerekmektedir. Statik rijitlik, gövdein eğilme ve burulmaya karaşı gösterdiği direnç olarak tanımlanabilir. Bu nedenle, bir önceki seviye aracın gövde yapısının eğilme ve burulma rijitliği hesaplanarak optimizasyonda statik rijitlik şartı olarak kullanılacaktır.(Şekil 5) Bunun yanında aracın dinamik olarak da bir rijitliğe sahip olması gerekmektedir. Bunun için bir önceki aracın sonlu elemanlar modeli üzerinde dinamik olarak frekans cevap analizleri yapılarak gövdenin süspansiyon ve motor Şekil 3. Yeni aracın paketlenmesi Ayrıca, direksiyon sistemin ayrıntıları incelenerek genel araç yerleşimindeki yeri belirlenecektir. Motor ve güç aktarma organları seçilerek genel araç içindeki yerleşimi belirlenecektir. Otobüsün endüstriyel dış ve iç tasarımı yapılarak cam, kapı, ön ve arka kısımların optimize edilecek gövde üzerindeki kısıtları belirlenecektir. Ayrıca gövde ile ilgili regülasyonlar araştırılacak, optimizasyonda kısıt olabilecek olan kriterler belirlenecektir. 2.2 Güvenlik ve NVH Açısından Sınır Şartlarının Belirlenmesi Araç gövdesinin NVH ve Güvenlik ile ilgili bir rijitideye sahip olması gerekmektedir. Optimizasyon sınır şartlarını ve hedef fonkisyonlarını belirlemek için bir önceki seviye araç üzerinde NVH ve Güvenlik ile Şekil 4. Güvenlik Analizleri [2] 3 bağlantı noktalarındaki elde optimizasyonda dinamik rijitlik kullanılacaktır. edilen sonuçlar sınır şartı olarak Optimizasyon için sonlu elelmanlar çözücü yazılımları kullanılacaktır. Bu yazılımın optimizasyon sonuçlarını daha sağlıklı verebilmesi için kullanılacak optimizasyon parametreleri seçimi yapılcaktır. Optimizasyon hedef fonksiyonu, tasarım hacmini en düşük kütle için maksimum rijitliği verecek yapının elde edilmesidir. Bu optimizasyon probleminde, optimizasyon değişkeni olarak tasarım hacmi sonlu elemanlar modeli, hedef fonskiyonu olarak tasarım hacmininin minimum kütle miktarında olması, optimizasyon kısıtları ise NVH ve güvenlik sınır şartları olacaktır. (Şekil 7) Şekil 5. NVH Analizleri [3] 2.3 Gövde Yapısı Optimizasyon Aşaması Bu aşamanın diyagramı Şekil 6’da gösterilmiştir. Buna göre ilk olarak toploji optimizasyonu yapılarak otobüs gövdesinin yük akış yolları elde edilecektir. Elde edilen bu gövde yapısına boyut optimizasyonu ve devamında da kalınlık optimizasyonu yapılarak optimizasyon aşaması tamamlanacaktır. Şekil 7. Optimizasyon Problemi 2.3.2 Boyut ve Kalınlık Optimizasyonu Boyut optimizasyon probleminde, optimizasyon değişkeni olarak 1 boyutlu sonlu elemanlar kiriş modelinin boyutları (yükseklik ve genişlik), hedef fonskiyonu 1 boyutlu sonlu elemanlar kiriş modelinin minimum kütle miktarında olması, optimizasyon kısıtları ise NVH ve güvenlik sınır şartları olacaktır. Devamında, boyut optimizasyonu sonucunda elde edilen 2 boyutlu karkas yapı sonlu elemanlar profili için kalınlık optimizasyonu yapılacaktır. Bu optimizasyon ptobleminde optimizasyon değişkeni kalınlık değerleri olacaktır. Aynı sınır şartları altında yapılacak olan kalınlık optimizasyonu problemi için, optimizasyon değişkeni 2 boyutlu sonlu elemanlar modelinin profil kalınlıkları, hedef fonksiyonu 2 boyutlu sonlu elemanlar modelinin minimum kütle miktarında olması, optimizasyon kıstları ise NVH ve güvenlik sınır şartları olacaktır. 2.3.1 Gövde Topoloji Optimizasyonu Tasarımın genel boyutları belirlendikten sonra tasarım hacminin topoloji optimizasyonu için sonlu elemanlar modeli hazırlanır. Bu tasarım hacmi optimizasyon için tasarım değişkeni olarak kullanılacaktır. Devamında güvenlik ve NVH ile ilgli sınır şartları modele yükleme koşulları olarak eklenir. Buradaki yükleme koşulları; - Gövdenin devrilme anında ortaya çıkan kuvvetler, - Önden çarpma halinda ortaya çıkan kuvvetler, -Eğilme ve burulmaya karşı koyma kuvvetleri, -Dinamik rijitite için frekans cevap fonkisyonları olacaktır. Şekil 6. Gövde Yapısı Optimizasyon Adımları Şekil 8. Kalınlık optimizasyon FEM modeli [4] 4 2.4 Komponent Bağlantı Braketleri için Ağırlık Optimizasyonu Bu aşamada, öncelikli olarak aksesuar komponentleri belirlenecektir. Devamında bunların yerleşim planları oluşturulacaktır. Bu yerleşim planlarına göre her bir komponentin bağlantı braketlerinin tasarım hacimlerinin sonlu elemanlar modeli kurulacaktır. Devamında her bir braketin tasarım kriterleri statik ve dinamik olarak sınıflandırılılarak, sınır şartı olarak optimizasyon kısıtlarına eklenecektir. Bununla birlikte, optimizasyon değişkenleri, braketlerin tasarım hacmi sonlu elemanlar modeli olacaktır. Optimizasyon probleminin hedef fonksiyonu braketlerin kütlesini minimize etmektir (Şekil 9). Bağlantı braketlerine hem topoloji hem de şekil optimizasyonları yapılacaktır. Şekil 10. Araç dinamiği modeli [5] Sonlu elemanlar modeli oluşturulan aracın önden çarpma ve devrilme analizleri yapılarak optimizasyon sonuçlarına benzerliği karşılaştırılacaktır. Benzer olarak NVH analizleri yapılarak gövdenin hem statik, hem de dinamik rijitliği hesaplanacak hedeflerle uygunluğu araştırılacaktır. Devamında dayanım ile ilgli validasyonlar yapılcaktır. İlk olarak aracın yol koşullarında karşılaşacağı(çukur, viraj, kasis, vb.) statik durum analizleri yapılacaktır. Ayrıca yoldan ivme datası toplanarak araç dinamiği simülasyonları yapılacak ve yorulma hasarları hesaplanacaktır. 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 - MBS modelinin hazırlanması ve Craig Bampton yer değiştirme modlarının uygulanması. 4 - Test ile ölçülmüş ivmeler ile MBS modelin belirlenmiş senaryoya göre çok eksenli taşıt test düzeneğinde koşturularak "Modal Participation Factor" geçmişinin çıkarılması. 5 - Sonlu elemanlar analizi ile elde edilen modal gerilmeler ve MBS ile elde edilen "Modal Participation Factor" geçmişinin uygun malzeme S-N datasıyla yorulma analizinde koşturulması. [6] Elde edilen sonuçlar hedef değerler ile karşılaştırılacak aynı zamanda test sonuçlarıyla kıyaslancaktır. Şekil 9. Optimizasyon Problemi 2.5 Optimizasyon Sonuçlarına göre CAD Datanın Oluşturulması Bu aşamada, hem gövde optimizasyon sonuçlarından elde edilen optimum gövde yapısının hem de braketlerin optimizasyonundan elde edilen optimum braket yapılarının aynı ortamda CAD dataları oluşturulcaktır. İlk olarak, optimizasyon programından elde edilen sonlu elemanlar modelinin yüzeylerin çıkarılma işlemi yapılacaktır. Bu çıkarılma işlemi stl formatında elde edilecek olup, çizim programında yüzey kontrol analizine tabi tutulacaktır. Devamında yüzeyleri oluşturulan geometri yeniden irdelenerek üretime uygun modifikasyonları yapılacaktır. Nihayetinde, ortaya CAD ortamında prototipe uygun bir data elde edilecektir. 2.6 Gerçek Tasarım Validasyon Aşaması 2.5 Sanal Tasarım Validasyon Aşaması Bu aşamada, optimizasyon sonucunda elde edilen gövde tasarımının prototipleri üretilecek ve bu prototipler üzerinde testler yapılacaktır. - Önden Çarpma için pendulum testi yapılacak olup bunun için gövde karkas yapısının ön kısmının prototipi yapılacaktır. (Şekil 11) Bu aşamada, elde edilen optimum gövde yapısının sanal validasyonları yapılacaktır. Öncelikle olarak aracın sonlu elemanlar modelleri oluşturulacaktır. Devamında çoklu cisim dinamiği programında araç dinamiği modeli oluşturulacaktır. (Şekil 10) 5 Şekil 11. Pendulum Testi [7] - Devrilme validasyonu için devrilme testi yapılacak olup bunun için gövde karkas yapısının orta kısmının prototipi yapılacaktır. - Aracın statik ve dinamik rijitliklerini ölçmek için tüm karkas prototipi yapılacaktır. - Aracın dayanım ve yorulma hesaplamaları için tüm araç prototip yapılacaktır. Yapılan bu prototipler ile aracın güvenlik, NVH ve dayanım validasyon testleri yapılacaktır. Güvenlik testleri sonucunda gövdede oluşan şekil değiştirmeler incelenecekir. NVH testleri sonucunda aracın rijitlikleri hesaplanacaktır. Dayanım testleri soonucunda ise araçda meydana gelen hasarlar incelenecektir. Şekil 12. Yeni Otobüs Ürün Geliştirme Süreci - - 3. SONUÇ Taşıtlar, çarpışma güvenliği, NVH (Titreşim, Gürültü ve Rahatsızlık), dayanım ve ağırlık disiplinleri için belirli hedeflere sahip olmak zorundadır. Mevcut ürün geliştirme sürecinde otobüs gövdesi ortaya çıkmadan bu disiplinlerin incelenmesi mümkün olmamaktadır. Bu çalışmada önerilen süreç ile, otobüs gövdeleri tasarım sürecinin başında disiplinler arası optimize edilecek ve validasyon süreçleri daha kısa sürecektir. Ayrıca optimizasyonda hedeflenen disiplin performansları yüksek, hafif otobüs gövdeleri elde edilecektir. Önerilen bu yeni süreç ile birlikte şu adımlar hedeflenmektedir. - Otobüs gövde tasarım süreçleri daha hızlı olacak ve dünyadaki diğer araç imalatçılarıyla rekabette öne çıkılacaktır. - Farklı disiplinler arasında optimizasyon yapılarak aracın hedeflerine uygun tasarımlar yapılabilecektir. - Çarpışma güvenliği rijitliği yüksek otobüsler tasarlayarak yolcu güvenliği üst seviyede tutulacaktır. - - NVH hedefleri tutturulmuş otobüs gövdeleri sayesinde yolcu konforu arttırılacak ve buna bağlı rahatsızlıklar ortadan kaldırılacaktır. Dayanım özellikleri yüksek gövde ve braketleri neticesinde araçlar uzun yıllar çalışmalarına devam edebilecekleridir. Daha önemlisi düşük ağırlıkta araçlar tasarlayarak, gerekli yakıt sarfiyatı azaltılacak ve bunun neticesinde doğaya salınan zehirli gazların miktarının düşürülmesi sağlanacaktır. Prototip sayıları azaltılarak önemli ölçüde maliyet ve süre avantajı sağlanacaktır. Tasarımın ilk fazında optimize edilmiş bir otobüs gövdesi elde edileceği için validasyon süreçleri de kısalacaktır. 4. TEŞEKKÜR Bu çalışma, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) ve Anadolu ISUZU Otomotiv Sanayii A.Ş.’nin (Proje Numarası: TEYDEB-3130306) katkılarıyla gerçekleştirilmektedir. KAYNAKLAR 1. Pravin J., Dwivedi S., Sujit B., Kedar D., Santosh H., 2010, “Concurrent Styling, Engineering & Analysis for Body Structural Optimization”, ICEME2010. 6 2. 3. 4. 5. 6. 7. Su R., Gui L., Fan Z., 2011, “Multi-objective optimization for bus body with strength and rollover safety constraints based on surrogate Structural and Multidisciplinary models”, Optimization, 44:431–441 Lan F., Chen J., Lin J., 2004, “Comparative Analysis For Bus Side Structures And Lightweight Optimization”, Journal of Automobile Engineering, 218-1067. Kim, Christensen J., Bastien C., Blundel M.V., Grimes O., Appella A., Bareham G., O'Sullivan K., 2012, “Generation of Optimized Hybrid Electric Vehicle Body in White Architecture from a Styling Envelope”, Volume 12 Issue 1 Version 1.0. Bladh, K., 2012, “Virtual Full Vehicle Durability Testing Of A Coach”, Master of Science Thesis, KTH, Sweden. Kagnici, F., 2012, “Vibration Induced Fatigue Assessment in Vehicle Development Process”, International Journal of Engineering and Applied Science , v6, pp.229-234, pISSN 2010-3980, eISSN 2010 – 3999. Cerit, E.M., 2011, “Şehirler Arası Otobüslerde Önden Çarpışma Enerjisini Yutucu Pasif Güvenlik Sisteminin Geliştirilmesi”, Yüksek Lisans Tezi, TOBB Üniversitesi. 7 8
© Copyright 2024 Paperzz
