TERMOPLASTİK KOMPOZİT MALZEME VE SENTAKTİK KÖPÜK ESASLI SANDVİÇ YAPILARDAN ÇOK HAFİF TAMPON KİRİŞİ VE DARBE SÖNÜMLEYİCİ GELİŞTİRİLMESİ

Transkript

1 OTEKON Otomotiv Teknolojileri Kongresi Mayıs 2016, BURSA TERMOPLASTİK KOMPOZİT MALZEME VE SENTAKTİK KÖPÜK ESASLI SANDVİÇ YAPILARDAN ÇOK HAFİF TAMPON KİRİŞİ VE DARBE SÖNÜMLEYİCİ GELİŞTİRİLMESİ Hakkı ÖZER 1 Yücel Can 2 Harun GÜÇLÜ 1 İdris KAREN 3 Murat YAZICI 1* 1Department of Automotive Engineering, Faculty of Engineering, University of Uludağ, Bursa, Turkey 2 Oyak-Renault Co. Inc. Bursa, Turkey 3Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Orhangazi, Bursa, Turkey ÖZET Gelişen teknoloji ile birlikte otomotiv endüstrisinde metal malzemelere alternatif malzemelerin kullanımı artmaktadır. Alternatif malzemelerden birisi olan termoplastik kompozit malzemeler düşük ağırlık, yüksek özgül mukavemet ve geri dönüşebilirlik özellikleri ile araç çarpışma elemanlarında kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra yüksek hızlardaki çarpışmalar esnasında üstün performans sergileyen sentaktik köpük malzemeler otomotiv endüstrisinde dolgu malzemeler olarak kullanılabilirliğe sahiptir. Bu çalışmada darbe emiciler içerisinde dolgu malzemesi olarak kullanılmak üzere poliüretan (PÜ) matris malzemesi içerisine Silikon kauçuk ve cam baloncuk ilavesiyle sentaktik köpük malzemeleri üretmiştir. Araç çarpışma elemanları farklı malzemeler ile dizayn edilip sonlu elemanlar yöntemi ile analiz edilmiştir. Araç tampon kirişi Sürekli Cam Elyaf Takviyeli Termoplastik Kompozit (TPK) malzeme, darbe emiciler TPK ve Alüminyum (Al), darbe emicilerin iç hacimleri ise sentaktik köpük malzeme ile modellenmiştir. Sentaktik köpük kullanımıyla darbe emicilerin et kalınlığı azaltılarak çarpışma elemanlarının hafifletilmesi amaçlanmaktadır. Analizler sonucunda sentaktik köpük kullanımıyla çarpışma elemanlarının araç gövdesine yaptığı deplasmanda %20 azalma görülürken, TPK malzeme ile modellenen darbe emicilerin sönümlediği enerjinin yaklaşık 10 kat, Alüminyum ile modellenen darbe emicilerin sönümlediği enerjinin yaklaşık 8 kat arttığı görülmüştür. Ayrıca TPK malzeme kullanımı ve Alüminyum malzemenin kalınlıklarının azaltılmasıyla darbe emicilerin ağırlığında azalma meydana gelmiştir. Anahtar kelimeler: Sentaktik köpük, termoplastik kompozit, darbe emici, çarpışma analizi DEVELOPMENT OF LIGHTWEIGHT BUMPER BEAM AND CRASHBOX WITH THERMOPLASTIC COMPOSITE AND SYNTACTIC FOAM BASED SANDWICH MATERIALS ABSTRACT Alternative lightweight material usage instead of conventional steel is increasing associated with developing technology in recent years. Thermoplastic Composites, (as a member of alternative lightweight materials, are used in crashworthiness part of vehicles owing to the advance of light weight, high specific strength and being recyclable. Besides TPC, Synthetic Foam materials show high performance in case of a high-speed crash, has utility in the automotive industry as filler material. Silicon rubber and glass bubbles are added into the polyurethane matrix to produce syntactic foam material. Vehicle crashworthiness parts designed by using different materials and analysed by Abaqus CAE software. The bumper beam is Glass Fibre Reinforced Thermoplastic Composite (TPC) in all simulations. Crashbox bodies are TPC and Aluminum. The inner volume of the crashboxes are modelled with syntactic foam. Total weight of crash parts could be decreased by thining wall thickness with use of syntactic foam. Analyses results refer that while crash parts penetration to the vehicle body has reduced 20% by using syntactic foam, Energy absorption capacity of crashboxes has risen 10 times for TPC material model and has increased 8 times for Aluminum model. Furthermore, the total weight of crash boxes has decreased by using TPC material and reducing the wall thickness of Aluminum. Keywords: Syntactic foam, Thermoplastic Composite Materials, Crashbox, Finite Element Crash Analysis 1. GİRİŞ Son yıllarda araştırmacılar, otomotiv sektöründen beklenen, düşük CO 2 salınım ve yakıt tüketimi özelliğine sahip, ve bununla birlikte yüksek performans sergileyen araçların üretilebilmesi için araç hafifletme çalışmaları kapsamındaki araştırmalarına hız vermişlerdir. Yapılan araştırmalarda, araçlar üzerinde bulunan metal bazlı parçaların toplam ağırlığının oldukça fazla olduğunu görülmüş ve alternatif malzeme olması amacıyla kompozit malzemeler geliştirilmiştir [1-3]. Kompozit malzemeler yüksek özgül mukavemet, düşük yoğunluk ve yüksek

2 çarpışma özellikleri ile sürücü ve yolcuların güvenliğini sağlayan araç çarpışma elemanlarında kullanılmaktadır [4,5]. Kompozit malzemeler kullanılan takviye elemanı ve matris malzemesine göre farklı özellikler sergilemektedir [6-7]. Son yıllarda geri dönüşebilirlik ve belirli sıcaklıklarda tekrar şekil alabilme gibi özelliklerinden dolayı termoplastik kompozit malzemeler otomotiv sektörünün ilgi gösterdiği malzemeler arasına girmiştir [8]. Do- Hyoung Kim ve arkadaşları geliştirdikleri karbon ve cam elyaf ile takviyelendirilmiş, polipropilen matrisli hibrit TPK malzemelerden araç tampon kirişi üretmişlerdir. Gerçekleştirilen optimizasyon, testler ve analizler sonucunda üretilen hibrit TPK tampon kirişi metal tampon kirişine göre %33 hafifletilmiş olarak elde edilmiştir. Ayrıca enerji sönümleme özelliklerinde %14 artış ve araç gövdesine gerçekleşen deplasmanlarda %8 azalma meydana geldiği görülmüştür [9]. Araçların önden çarpışması durumunda çarpışma elemanlarının araç gövdesine doğru yapacağı deplasman sürücü ve yolcuların güvenliği açısından önem teşkil etmektedir. Bu nedenle çarpışma anında tampon kirişinden gelen yükler darbe emiciler tarafından belirli seviyelerde sönümlenir. Bu nedenle darbe emiciler yüksek sönümleme özelliklerine sahip malzemelerden üretilmelidir. Yapılan çalışmalarda darbe emicilerin malzemelerinde ve geometrilerinde değişikliğe gidilerek absorbsiyon değerlerinde iyileştirmeler yapılmıştır [10]. Ayrıca darbe emicilerin içerisindeki boş hacimden yararlanılarak köpük malzemeler geliştirilmiş ve çarpışma elemanlarının mukavemet değerleri iyileştirilmiştir [11,12]. Otomotiv endüstrisinde araç içerisinde bulunan boş hacimlerden yararlanılarak çarpışma esnasında yüksek absorbsiyon özellikleri elde edilebilmektedir. Köpük malzemeleri endüstrinin bu ihtiyaçlarını karşılamaktadır. Sentaktik köpük malzemeleri de oldukça düşük yoğunluk, ses ve titreşim sönümleme özellikleri ve yüksek hızlarda çarpışma mukavemeti ile araştırmacıların ilgisini çekmektedir [13-14]. Sentaktik köpüklerin mühendislik uygulamalarında günden güne kullanımı artmaktadır. Havacılık, uzay, deniz, otomotiv endüstrisinde darbelere ve ani yüklere maruz kalabilecek parçaların üretilmesi ve geliştirilmesinde sentaktik köpükler kullanılmaktadır. Kyle Myers ve arkadaşları alüminyum matrisli sentaktik köpük malzemelerin yüksek hızlarda ve statik basma gerilmesi değerlerini incelemişlerdir. Elde ettikleri bulgular sonucunda sentaktik köpük malzemelerin yüksek hızlarda çok daha fazla enerji absorbe ettikleri görülmüştür [15]. Lehmhus, Peroni ve arkadaşları demir matris içerisine karıştırılmış cam mikro baloncuklardan üretilen sentaktik köpüklerin mekanik davranışlarını incelemişleredir. Farklı tipteki köpüklerin yüzdesel ağırlıkları değiştirilerek mekanik özelliklerindeki değişimler gözlemlenmiştir. Deneysel karekterizasyonlar üç farklı gerinim oranı seviyeleri kullanılarak basma testleri ile belirlenmiştir. Sonuç olarak köpüklerin gerinim oranı davranışının genel olarak matris malzemesi tarafından belirlendiği görülmüştür [16,17]. Bu çalışmada kompozit malzeme modelleri ile araç ön çarpışma elemanları modellenerek sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Çarpışma elemanlarından tampon kirişi trend kompozit malzemeler arasında yer alan TPK malzemeler ile modellenmiştir. Darbe emiciler ise TPK ve Al malzemeleri ile modellenmiştir. Ayrıca darbe emiciler içerisindeki boş hacim yüksek hızlarda üstün absorbsiyon özelliklerine sahip slikon kauçuk ile karıştırılmış poliüretan matrisli, %30 cam baloncuk takviyeli sentaktik köpük malzeme ile modellenmiştir. Alüminyum darbe emicilerin sentaktik köpük ile doldurulmasıyla ağırlık azaltma amacıyla Alüminyum malzeme kalınlığı 2 mm den 1 mm ve 0.5 mm olarak azaltılarak analizler yinelenmiştir. Analizler sonucunda sentaktik köpük ile modellenen 0.5 mm Al darbe emicilerin köpük ilavesiz Alüminyum darbe emicilere göre yaklaşık 5 kat fazla enerji absorbe ettiği görülürken, TPK malzeme ile modellenen darbe emicilerin köpük ile ilavesiyle yaklaşık 10 kat fazla enerji absorbe ettiği görülmüştür. Ayrıca köpük ile ilavelendirilen darbe emicilerin araç gövdesine doğru yaptıkları deplasmanlarda %20 oranında azalma meyda geldiştir. Ayrıca sentaktik köpük ile modellenen darbe emicilerde araç gövdesine doğru yaptığı deplasmanda %20 oranında azalma meydana gelmiştir. 2. MATERYAL YÖNTEM 2.1. Sentaktik Köpük Üretimi Sentaktik köpük malzemeler rijit poliüretan (PU) malzemesi içerisine yerleştirilen % 10 silikon kauçuk ve %30 cam baloncuk ile takviyelendirilerek üretilmişlerdir. Kullanılan cam baloncuklar 3M firması tarafından üretilmiş olup 0.2 g/cc yoğunluğa ve ortalama 100 µm boyutlarındadır [18]. Karışım sonunda bal mumu kıvamındaki malzeme silindirik kalıp içerisine doldurularak 25mm çapında ve 17 mm yüksekliğinde statik basma deney numuneleri ve 8.5 mm çapında ve 4 mm yüksekliğinde yüksek deformasyon hızı deney numuneleri elde edilmiştir. Şekil 1. Cam mikro baloncuklar [18].

3 Yapılan deneysel çalışma 252 g/m 3 yoğunluğa sahip sentaktik köpük malzemelerin yüksek hızlarda statik yüklere oranla yaklaşık 8 kat yüksek sönümleme sağladığını göstermiştir [19]. Statik basma deney numunesinin test öncesi ve sonrası görüntüleri Şekil 2 de gösterilmiştir. Elde edilen bu özelliklerden dolayı cam baloncuk takviyeli sentaktik köpük malzemesi bu çalışmada araç çarpışma elemanlarından darbe emiciler içerisine modellenip analizler gerçekleştirilmiştir. Altı farklı durum için modellenen darbe emiciler Şekil 4 de gösterilmiştir. Tablo 1. TPK malzemenin elastik özellikleri Yoğunluk ρ 1.5 (g/cm 3 ) E 11 Doğrultulu Elastisite Modülü (GPa) E 22 Doğrultulu Elastisite Modülü (GPa) G 12 Doğrultulu Kayma Modülü 1.72 (GPa) G 12 Doğrultulu Kayma Modülü 1.79 (GPa) Poisson Oranı v 0.1 Tablo 2. Alüminyum malzemenin mekanik özellikleri Şekil 2. Sentaktik köpük statik basma deney numunesi (deney öncesi ve deney sonrası) [19]. Elastisite Modülü E 70 (GPa) Poisson Oranı v 0.33 Kayma Gerilmesi Sy 80 (MPa) Yoğunluk ρ 2.78 (g/cm 3 ) 2.2. Araç Ön Çarpışma Elemanları Araç ön çarpışma elemanları çarpışma esnasında üzerlerine gelen kinetik enerjiyi elastik veya plastik şekil değiştirmeler ile enerjinin başka bir formuna dönüştüren elemanlardır (Şekil 3). Tampon kirişi düşük seviyelerde enerjiyi absorbe ederiken üzerlerine gelen yükleri yüksek oranlarda darbe emicilere aktarmaktadır. Bu nedenle darbe emicilerin yüksek absorbsiyon özelliklerine sahip malzemelerden ve geometrilerden üretilmesi beklenmektedir. Çalışma da kullanılan tampon kirişi ve darbe sönümleyiciler Renault firmasına ait modellerdir. Şekil 4. Altı farklı durum için darbe emici modelleri 2.3. Sonlu Elamanlar Analizi Şekil 3. Ağ yapıları oluşturulan araç ön çarpışma elemanları Analizlerde kullanılacak tampon kirişi malzemesi polipropilen matrisli cam elyaf takviyeli TPK malzeme ile modellenmiş olup malzemenin mekanik özellikleri Tablo 1 de gösterilmiştir. Darbe emiciler ise elastik özellikleri Tablo 2 de verilen Al malzeme ve TPK malzeme ile modellenmiştir. Darbe emicilerin iç hacimleri sentaktik köpük malzeme ile modellenerek ağırlıklarının azaltılması amacıyla cidar kalınlıklarında azaltılma yapılmıştır. Mevcut tampon kirişi ve darbe emici model geometrilerinin HyperMesh programı ile ağ yapıları oluşturulmuştur shell dörtgen elemandan oluşan model Abaqus programına aktarışmış ve model sınır şartları ve analiz koşulları belirlenerek sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizde farklı malzemelere, farklı kalınlıklara sahip darbe emici modelleri Şekil 5 te gösterilen %40 ofset değerleri ile rijit duvara çarptırılmıştır s süresince rijit duvara çarptırılan çarpışma elemanlarının araç gövdesinde neden olduğu deplasman ve enerji sönümleme davranışı incelenmiştir. Şekil 5. %40 ofsetli çarpışma modeli

4 Deplasman (mm) Şekil 6. Farklı durumlarda tasarlanan darbe emicilerin 0,0005, 0,001, 0,015 ve 0,02. saniyelerde şekil değişimleri mm TPK 2mm TPK+Köpük 2mm Al 2mm Al+Köpük 1mm Al+Köpük 0,5mm Al+ Köpük ,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02 Zaman (s) Şekil 7. Çarpışma esnasında darbe emicilerin deplasman zaman eğrileri 3. ÇARPIŞMA ANALİZLERİ Araç ön çarpışma elemanları 6 farklı durum için modellenip çarpışma analizlerine hazır hale getirilmiştir. 40 km/s ilk hızla 0.02 s süresince rijit bir duvara çarptırılan çarpışma elemanlarından darbe emicilerin 0.005, 0.01, ve 0.02s anlarında meydana gelen şekil değişimleri şekil 6 da gösterilmiştir. Çarpışmanın başlamasıyla üzerine gelen yükleri 0.007s boyunca düşük oranlarda sönümleyen tampon kirişi daha sonra yükleri tamamıyla darbe emicilere aktarmıştır. Çarpışmanın 0.007s den itibaren darbe emicilerin şekil değiştirmeye başladıkları görülmektedir. Şekil 7 de gösterilen deplasman zaman grafiğinde sentaktik köpük ile takviyelendirilen darbe emicilerin iç hacimleri boş olan darbe emicilere oranla araç gövdesine doğru daha düşük

5 Tepki Kuvveti (N) mm TPK 2mm TPK+Köpük 2mm Al 2mm Al+Köpük 1mm Al+Köpük 0,5mm Al+Köpük 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 Zaman (s) Şekil 8. Çarpışma esnasında rijit duvarda meydana gelen tepki kuvveti zaman eğrileri deplasmana uğradıkları görülmektedir. Ayrıca Alüminyum darbe sönümleyicilerin kalınlığının azaltılmasıyla araç gövdesine yönünde deplasman değerlerinde bir miktar artma gözlemlenmiştir. Çarpışma esnasında araçta oluşan tepki kuvvetinin yolcu ve sürücü güvenliği açısından düşük seviyelerde olması istenir. Aynı zamanda tepki kuvvetinin zamana bağlı olarak gösterdiği değişim absorbe edilen enerji miktarını belirttiğinden tepki kuvvetinin yüksek olması beklenir. Bu nedenle meydana gelen tepki kuvvetinin ortalama bir eğri değerinde olması beklenir. Şekil 8 de gösterilen tepki kuvveti zaman eğrisinde farklı durumlar için tasarlanan darbe emicilerde meydana gelen tepki kuvvetinin zamana bağlı değişimi gösterilmiştir. Al ve TPK malzemeler ile modellenen darbe emicilerin burkulmaların başladığı andan itibaren oldukça düşük tepki kuvvetleri gösterdiği bu nedenlerle düşük absorbsiyon özelliklerine sahip oldukları görülmektedir. Darbe emicilerin gösterdikleri tepki kuvveti değerlerini arttırmak ve daha iyi absorbsiyon özellikleri elde etmek amacıyla tasarlanan köpük malzemesi ile modellenen darbe emicilerin çarpışma esnasında çok daha yüksek tepki kuvveti ve absorbsiyon özellikleri gösterdikleri görülmektedir. TPK ve köpük ile modellenen darbe emicilerin burkulmaların başladığı andan itibaren ilk tepki kuvvetinin N luk seviyelerde ve köpük malzemenin gösterdiği tepkinin daha rijit olmasıyla ortalama N luk tepki kuvveti gösterdiği görülmektedir. Ayrıca Al ve köpük ile modellenen darbe emicilerin de köpük ilavesiz darbe emicilere oranla oldukça fazla enerji absorbe ettikleri görülmektedir. Al malzemenin kalınlıklarının azaltılması sonucunda enerji absorbsiyon değerlerinde azalmalar meydana geldiği görülmektedir. 4. SONUÇ Bu çalışmada araç çarpışma elemanlarından darbe emicilerin farklı malzeme ve kalınlıklar ile modellenmesiyle analizler gerçekleştirilmiştir saniye analiz süresinde çarpışma elemanlarının araç gövdesi boyunca yaptığı deplasman, darbe emicilerin burkulmalara başladıkları andan itibaren gösterdikleri ilk tepki kuvvetleri ve absorbe ettikleri enerji miktarları incelenmiştir. Rijit poliüretan (PU) malzemesi içerisine yerleştirilen % 10 silikon kauçuk ve %30 cam baloncuk ile takviyelendirilerek üretilen sentaktik köpük malzemenin darbe emicilerin iç hacimlerine modellenerek gerçekleştirilen analizlerde oldukça yüksek absorbsiyon değerleri ve araç gövdesi doğrultusunda düşük deplasman değeri görülmüştür. TPK malzeme ile modellenen darbe emicilerin sentaktik köpük ile ilavesi sonucunda yaklaşık 10 kat fazla enerji absorbe ettiği ve araç gövdesine doğru %20 oranında düşük deplasman yaptığı görülmüştür. 2 mm kalınlığında Alüminyum ile modellenen darbe emicilere sentaktik köpük ilave edilmesiyle yaklaşık 8 kat fazla enerji absorbe ettiği görülmüştür. Köpük ilavesi Alüminyum darbe emicilerinin Alüminyum malzeme kalınlıklarının azaltılmasıyla çarpışmanın s den itibaren tepki kuvvetlerinde azalmalar görülmüştür. Ayrıca 0.5mm köpük ilaveli al darbe emicilerin 2 mm köpük ilaveli darbe emicilere oranla yaklaşık %5 fazla deplasman yaptığı görülmüştür.

6 5. KAYNAKLAR 1. Kusekar, S., Sambhaji, Chunge A., 2014, Review of design & analysıs of bumper beam in low speed frontal crashes International journal of Industrial Electronic Engineering, Vol. 2, pp Bhavesh, A., Bohra, B., Pawar, 2014, Comparative Analysis of Frontal Car Bumper During Impact International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management, Vol, 3, pp Hosseinzadeh, R., Shokrieh, M. M., Lessard, L. B., 2005, Parametric study of automotive composite bumper beams subjected to low-velocity impacts Composite Structures, vol. 8, pp Erica, R. H. F., Frank, R. F., Richard, R., Randolph, E. K., 2008, Strategic materials selection in the automobile body: Economic opportunities for polymer composite design, Composites Science and Technology, Vol. 68, pp Davoodi, M. M., Sapuan, S. M., Ahmad, D., Ali, A., Khalina, A., Jonoobi, M., 2010, Mechanical properties of hybrid kenaf/glass reinforced epoxy composite for passenger car bumper beam, Materials and Design, Vol. 31, pp Beyene, A. T., Koricho, E. G., Belingardi, G., Martorana, B., Design and manufacturing issues in the development of lightweight solution for a vehicle frontal bumper Procedia Engineering, Vol. 88, pp Belingardi, G., Beyene, A. T., Koricho, E. G., Martorana, B., Alternative lightweight materials and component manufacturing technologies for vehicle frontal bumper beam Composite Structures, Vol. 120, pp Schneider, C., Velea, M.N., Kazemahvazi, S., Zenkert, 2015, Compression properties of novel thermoplastic carbon fibre and polyethylene terephthalate fibre composite lattice structures, Materials and Design, Vol. 65, pp Kim, D. H., Kim, H. G., Kim, H. S., 2015, Design optimization and manufacture of hybrid glass/carbon fiber reinforced composite bumper beam for automobile vehicle Composite Structures, Vol. 131, pp Costas, M., Morin, D., Langseth, M., Romera, L., Díaz, J., 2016, Axial crushing of aluminum extrusions filled with PET foam and GFRP. An experimental investigation Thin-Walled Structures, Vol. 99, pp Lin, H., Luo, H., Huang, W., Zhang, Xiao., Yao, G., 2016, Diffusion bonding in fabrication of aluminum foam sandwich panels Journal of Materials Processing Technology, Vol. 230, pp Toksoy, A. K., Güden M., 2010, Partial Al foam filling of commercial 1050H14 Al crash boxes: The effect of box column thickness and foam relative density on energy absorption Thin-Walled Structures, Vol. 48, pp Geng, H., Liu, J., Guo, A., Ren, S., Xu, X., Liu, S., 2016, Fabrication of heatresistant syntactic foams through binding hollow glass microspheres with phosphate adhesive, Materials and Design, Vol. 95, pp Omar, M.Y., Xiang, C., Gupta, N., Strbik, O.M. Cho, K., 2015, Syntactic foam core metal matrix sandwich composite: Compressive properties and strain rate effects, Materials Science & Engineering A, Vol. 643, pp Myers, K., Katona, B., Cortes, P., Orbulov, I.N., 2015, Quasi-static and high strain rate response of aluminum matrix syntactic foams under compression, Composites: Part A, Vol. 79, pp Peroni, L., Scapin, M., Avalle, M., Weise, J., Lehmhus, D., 2012, Dynamic mechanical behavior of syntactic iron foams with glass microspheres, Materials Science and Engineering A, Vol. 552, pp Lehmhus, D., Weise, J., Baumeister, J., Peroni, L., Scapin, M., Fichera, C., Avalle, M., Busse, M., 2014, Quasi-static and dynamic mechanical performance of glass microsphere- and cenosphere-based 316L syntactic foams, Procedia Materials Science, Vol. 4, pp Yazıcı M. A Novel High Strain Rate Sensitive Rigid Polyurethane Resin Based Syntactic Foam Acta Physica Polonica A, 2016, Accepted Paper.