ÇİFT KOLLU SARKAÇ TİPİ ÇARPMA TEST DÜZENEĞİNİN TASARIMI VE İMALATI DESIGN AND CONSTRUCTION OF DOUBLE PENDULUM TYPE ENERGY ABSORPTION TEST SYSTEM

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 3-5 Mayıs 009, Karabük, Türkiye ÇİFT KOLLU SARKAÇ TİPİ ÇARPMA TEST DÜZENEĞİNİN TASARIMI VE İMALATI DESIGN AND CONSTRUCTION OF DOUBLE PENDULUM TYPE ENERGY ABSORPTION TEST SYSTEM Abdulkadir CENGİZ a, * ve Mehmet UÇAR a a* Kocaeli Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü, Kocaeli,Türkiye, E-posta:akcengiz@kocaeli.edu.tr, ucarm@kocaeli.edu.tr Özet Enerji sönümleme karakteristikleri, malzemelerin mikro yapısına, imal edilen yapıların geometrik formlarına ve darbe kuvvetini uygulama koşullarına bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle, tasarlanan yapıların amaca uygunluğu, darbe yüklerine maruz kalmaları durumunda sergileyecekleri mekanik davranışları ve hasar tipleri tasarım sürecinde tespit edilmelidir. Bu amaçla kullanılan farklı test sistemleri mevcuttur. Bu çalışmada, çeşitli malzeme/yapıların enerji sönümleme karakteristiklerini belirleyebilen, serbest kütleli eksenel çarpışmaların gerçekleştirildiği, çift kollu sarkaç prensibiyle çalışan bir çarpma test sisteminin tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Sistemde kollara asılı her bir kütle ile, 4kJ lük enerji kapasitesine ve 8 m/s deformasyon hızına kadar darbe oluşturulabilmektedir. Kolların konum-zaman bilgilerinden, kütlelerin hız-zaman bilgileri türetilmektedir. Bu bilgiler momentum denklemleri ile işlenerek kütlelerdeki enerji değişimleri hesaplanmaktadır. Ayrıca sabit duvar sistemlerinden farklı olarak temas noktasındaki yapının çarpışma katsayısı (e) ve maruz kaldığı ortalama impuls kuvvet değerleri de hesaplanmaktadır. Çalışmada, sönümleme katsayıları bilinen çelik ve polistren köpük (strafor) malzeme için doğrulama testleri yapılmış ayrıca silindirik kesitli bir alüminyum yapının çarpışma karakteristikleri ölçülerek literatür değerleriyle karşılaştırılmıştır. Anahtar kelimeler: Çarpışma, Enerji Sönümleme, Test Sistemi, Momentum Abstract In the structures, energy absorption characteristics change with microstructure of materials, geometric forms and loading conditions. Hence their compatibility of the aim, mechanical behaviors and fracture types must be defined in design stage. There are several types of test system used for this purpose. In this study, a novel crash test system which can define energy absorption capabilities of the materials/structures has been developed and constructed. The system works with double pendulum principles and it allows axial free mass collision. On the system, each mass fixed to pendulum has 4 kj energy capacity and produces impact force with 8 m/s velocity. The velocity-time knowledge of the mass bodies has been derived from radial position-time data. Amount of energy variation was calculated by the processing of the velocitytime data with momentum equations. Otherwise restitution coefficient (e) of materials/structures on the contact region, and mean impulsive force acting on them have been also calculated. In the study, steel and foam material known restitution coefficients were tested in the system to confirmation. Finally characteristics of a cylindrical aluminum structure have been measured and compared with earlier studies. Keywords: Crash, Energy absorption, test system, momentum. Giriş Mekanik sistemlerin tasarlanması aşamasında, sistem elemanının getirecekleri görev açısından yeterliklerinin hesaplanması veya uygun koşullarda test edilmesi gereklidir. Mekanik sistemler içerisinde bir çok eleman darbe yüklerine maruz kalmakta veya özellikle bu amaçla tasarlanmaktadırlar. Örnek olarak taşıtlarda çarpışma enerjisinin sönümlenmesi amacıyla, çarpışma kutuları, teleskopik şok sönümleyicileri veya yan kapı barları doğrudan etkili olurken, diğer motor elemanlarından; radyatör, su deposu, metalik aksam ve normalde taşıyıcı elemanlardan olan şasi elemanları gibi dolaylı olarak görev yapan sistemlerden bahsetmek mümkündür []. Dolayısıyla, Mekanik bir sistem olarak, taşıtın bütün aksamlarının enerji sönümleme performanslarının tespit edilmesi gereklidir. Bu tarz sivil uygulamalarının yanında askeri uygulamalarda da önemli yer tutan darbe testleri de bir diğer önemli enerji sönümleme konusudur. Ancak bu tip testlerde sadece tasarlanmış ve imal edilmiş kompleks bir yapının test edilmesi mutlak hedef değildir. Çünkü malzemelerin yükleme hızlarına bağlı olarak mekanik özelliklerinin de değişim gösterdiği bir çok çalışmayla ortaya konulmuş bir gerçektir. Dolayısıyla bu tip malzemelerin yüksek deformasyon hızlarında gösterecekleri mekanik davranışlarının tespit edilmesi gereklidir. Bütün bu uygulamalar, mühendislik uygulamalarında bir çok test sisteminin geliştirilmesine sebep olmuştur. Çarpışma karakteristiklerinin en doğru şekilde tespit edilmesi amacıyla farklı prensiplerle çalışan deneysel düzenekler mevcuttur. Literatürde çok sık geçen ve özellikle tabaka yapıların darbe testlerinde çok kullanılan çekiç düşürme gibi standart test metotlarının [,3] yanında özel amaçlı olarak, yüksek kinetik enerji ve yüksek deformasyon oranı sağlamaya yönelik test düzenekleri de vardır. Bu düzenekler; ek hidrolik donanımlar ile pres kafa hızının artırılması [4], ağır kütlelerin serbest düşme hareketiyle sabit zemine düşürülmesi [5], yine ağır kütlelerin pnömatik iticilerle tahrik edilen yatayda konumlanmış raylı veya arabalı sistemlerle rijit duvara çarptırılması [6-9], üzerine kütle eklenebilen tek kollu bir IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 sarkaç düzeneğinde, kolun açılarak yatay konuma getirilip daha sonra serbest düşme sonucu sabit duvara çarptırılması [0] gibi prensiplerle çalışmaktadırlar. Düşürmeli tip ile sarkaç kollu tip düzeneklerde kütle miktarı ve ağırlığın kaldırıldığı yükseklik mesafesi ayarlanarak istenilen miktarda kinetik enerji ve deformasyon hızı sağlanabilmektedir. Bu çalışmada, dinamik yüklemeli deneylerde kullanılmak üzere dinamik yükleme şartlarının sağlanması amacıyla çift kollu sarkaç prensibine dayalı test düzeneği tasarlanmış ve kurulmuştur. Bu tip test düzeneği ile elde edilen verilerin çarpma ve momentum denklemleriyle işlenmesi sonucu, numune konfigürasyonlarına ait enerji sönümleme karakteristikleri hesaplanabilmektedir.. Deneysel Kurulum Şekil. Kol-Gövde bağlantısı Şekil 3 de çarpma test ünitesinin görünümü verilmiştir. Sistemde kol uzunlukları kütle merkezinden dönme merkezine olacak şekilde 850 mm olarak ayarlanmıştır. Dinamik yüke maruz yapıların enerji sönümleme performanslarını ölçmek amacıyla, potansiyel enerjiyi kinetik enerjiye çevirmekteki üstünlüğünden ötürü çift kollu sarkaç prensibiyle çalışan deney düzeneği tasarlanmış ve kurulmuştur []. Deney sistemi, mekanik sistem ve ölçüm sistemlerinden oluşmaktadır. Mekanik sistem tasarımı, sistemin parametrik CAD modelin oluşturulması, ölçülendirme ve imal edilme aşamalarından oluşmaktadır. Ölçüm sistemi ise, sensörleri, veri toplama donanım ve yazılımını kapsamaktadır... Mekanik Sistem Tasarımı Kurulan sistem, bu amaçla ilk kullanılan sistem olma özelliğine sahiptir. Düzenekte sarkaç kollarının her biri 50 kg kütle ile 8 m/s hıza, maksimum 4 kj enerji kapasitesine ulaşabilmektedir. Çift kollu sarkaç sisteminde, kütle kaldırma yüksekliği ve kütle miktarının ayarlanabilir olması nedeniyle geniş bir enerji yüklenme potansiyeline sahiptir. Deney düzeneğine ait şematik gösterim Şekil de gösterilmektedir v v = v (a) (b) (c) v Şekil 3. Çarpma test sistemi.. Ölçüm Sistemi Tasarımı Şekil. Sarkaç tip çarpışma test düzeneği şematik görünümü; a-başlangıç, b-ilk çarpma, c-çarpma sonrası Şekil de görüldüğü gibi sarkaç kolunun kaldırıldığı yüksekliğe ve sarkaç kütlelerine bağlı olarak ilk enerji miktarı ve çarpma hızı ayarlanabilmektedir. Test edilmek istenilen parçaların, kütlelerin alın yüzeylerine doğrudan yapıştırılabileceği gibi, özel aparatlar ile tutturulması da mümkündür. Şekil de görüldüğü gibi Sistemde kol bağlantı mekanizması, parça uzunluğuna bağlı olarak, kol-gövde bağlantısını sağlayan döner mafsalların eksenel mesafelerini ayarlayabilecek şekilde tasarlanmıştır. Çarpışma verileri bilgisayar ortamına aktarılarak kayıt altına alınabilmektedir. Test düzeneği ile elde edilen veriler, momentum denklemleriyle işlenerek, enerji sönümleme karakteristikleri hesaplanmıştır Sarkaç mekanizmasında kol hızlarının tespiti, kolların anlık açısal konum bilgilerinden tespit edilmiştir. Konum bilgisini belirlemek amacıyla, adet Haidenhain Marka ROD460 model, 3600 puls/devir çözünürlükte, sinüs dalga üreteçli, mutlak enkoder, sarkaç kollarına 6: çevrim oranına sahip dişliler ile bağlanmıştır. Şekil 4 de tasarlanan bu sistem ve kol-gövde ara bağlantı elemanının ana gövde ile montaj edilmiş hali gösterilmektedir.

3 Şekil 4. Sarkaç kollarının ana gövde üzerine montajı Sarkaç kolunun kendi ekseni etrafında atacağı bir tam tur (π) için oluşacak puls sayısı; 3600x6= 600 adettir. Bir puls; açısal yer değiştirme miktarı olarak.9088e-4 radyan ve çevresel yer değiştirme miktarı olarak 850mm kol uzunluğu için 0.89 mm dir. Verilerin toplanması amacıyla, konum bilgisi için Haidenhain marka, IK0 model sayıcı kart (Counter Card) kullanılmıştır. Veri toplama kartı AMD3000 işlemcili, GB RAM kapasitesinde olan bir PC ye bağlanmıştır. Veriler, LABVIEW tabanlı ara yüz yazılımı ile kayıt altına alınmıştır. Şekil 6. Hız değişiminin incelendiği bölge Temas anından sonraki ilk süreç ise Şekil 7 de görüldüğü gibi kütlelerin sabit hızla harekete devam ettiğini göstermektedir. Ancak bu süreç, Şekil 5 den anlaşılacağı üzere kinetik enerjinin potansiyel enerjiye dönüşmeye başlamasıyla birlikte sürekli yavaşlayan harekete dönüşmektedir. Dolayısıyla temas anından önceki çok kısa bir sürenin incelenmesi gibi temas sonrasında da çok kısa bir süre için inceleme yapılmıştır. 3. Deney Verilerinin Analiz Edilmesi Deney verilerinin analizi EXCELL programı ile yapılmıştır. Program ile elde edilen örnek bir konum zaman grafiği Şekil 5 de sunulmaktadır. Genel olarak üç bölgeye ayrılabilecek grafiğin, birinci bölgesi çarpmadan önceki, ikinci bölge çarpma anındaki ve üçüncü bölge de çarpma sonrasını ifade etmektedir. İncelemelerde bu bölge içinde kalan eğrilerin eğimleri hesaplatılarak hız bilgileri elde edilmiştir. Bu inceleme her bir dt süresi için değişen konum bilgisinin hız-zaman eğrisi şekline dönüştürülmesiyle de yapılabilmektedir. Nitekim örnek malzeme incelemesinde bu yöntem uygulanmıştır. Temas anındaki konumlar her iki kütle için sıfır noktası kabul edilmiştir. Şekil 5 de görüldüğü gibi birinci kolun başlangıç noktası, yaklaşık 90 derecelik kaldırma sonucu 850x(π/)= 4476 mm dir. Şekil 7. Temas sonrası bölge (3.bölge) Elde edilen Hız bilgilerinden kütlelerdeki kinetik enerji miktarı E k = 0.5mv ile hesaplatılmaktadır. Burada, m kütle, v ise hızı ifade etmektedir. Sönümlenen enerji (E s ) miktarı ise kütlelerin çarpışmadan önceki ve sonraki enerjilerinin farkı olarak aşağıdaki gibi hesaplanmıştır; n i= m i(v ) i n = mi i= ( v ) + Es i () Şekil 5. Örnek bir çarpma testi konum-zaman grafiği İlk temas anından önceki bölgede hızın sabit kabul edilebileceği Şekil 6 daki lineer değişen konum bilgisinden görülebilmektedir. Şekil 6, Şekil 5 de verilen. bölge,. bölge (temas bölgesi) ve kısmen 3. bölgeyi kapsamaktadır. Ancak temas süresinde ivmelenme söz konusu olduğundan konumun nonlineer dolayısıyla hızların lineer değiştiğinden bahsetmek mümkündür. Burada, m i, v i ve v i değerleri, her bir cisim için sırasıyla; kütle, çarpışma öncesi hız ve çarpışma sonrası hızdır. İmpulsif kuvvet ise Denklem ile tespit edilebilmektedir, m + t () v FΔ = mv Burada m cismin kütlesini v ve v sırasıyla cismin ilk ve son hızını Δt ise F kuvvetinin o cisme etki ettiği süreyi ifade etmektedir. Δt, grafik incelemesindeki temas bölgesinin süresi olarak tespit edilebilmektedir. Enerji sönümleme karakteristiklerinin bir ölçütü olan Spesifik enerji sönümleme oranı (SES) değeri ise aşağıdaki formülle hesaplanabilmektedir;

4 Es SES = [ j/g] (3) W Burada W; enerjiyi sönümleyen malzeme kütlesidir. Bir diğer önemli nokta ise, çarpmalarda enerji iletiminin bir ifadesi olan sönümleme veya iletim katsayısının (e) tespit edilmesidir. İletim katsayısı darbe emicileri gibi yapıların tasarımında etkili bir malzeme sabiti olup Denklem 4 ile tespit edilmektedir. e v v = (4) v v 4. Deney Sonuçları Doğrulama amacıyla polistren köpük (strafor) malzemesi, çelik blok malzemesi ve alüminyum boru malzemesi üzerinde gerçekleştirilen çarpma deneyi sonuçlarının grafik ve sayısal analizleri yapılmıştır. Analizler, farklı yöntemlerle gerçekleştirilerek bu yöntem farklılıkları daha anlaşılır hale getirilmiştir. Polistren köpük (strafor) malzemesi için kaydedilen konumzaman bilgisi ve konum zaman bilgisinden türetilen hızzaman bilgileri sırasıyla Şekil 8 ve Şekil 9 da görülmektedir. kütlenin de eşit miktarda olması durumunda, ilk önce hareketli olan birinci kolun hızı durma derecesinde azalırken, ikinci kolun taşıdığı kütle birinci kolun ilk hızına yakın şekilde harekete başlamaktadır. Sönümlenen enerji miktarı ise iç sürtünme nedeniyle oluşmaktadır. Şekil 9 dan, v =.8 m/s, çarpışma sonrasında v = -0, m/s, v =-,6 m/s olarak tespit edilebilmektedir. straforlu çarpışmada kuvvet etkime süresi t= s olarak tespit edilmiştir. Bu veriler doğrultusunda m, =85 kg için, Denklem 4 e göre sönümleme katsayısı e= 0.9, ilk enerji E k =364 J, Etkime Kuvveti Denklem den F=450 N, Denklem den strafor malzemede iç sürtünmelerden dolayı oluşan sönümlenen enerji miktarı E s =47 J olarak tespit edilmiştir. Buradan, köpük malzemenin kalıcı deformasyona uğramadan enerjisini ilettiği görülmüştür. Metal malzemelerde çarpma anında oluşan yüksek anlık kuvvetler temas bölgelerinde plastik deformasyonlar oluşturmaktadır. Böylece kinetik enerjinin bir kısmı bu şekilde harcanmaktadır. Temas yüzey alanlarının geniş olması halinde ise plastik deformasyon gerçekleşmese bile, metal yapı içinde oluşan elastik şok dalgaları ile enerjinin bir kısmı emilmektedir. Dolayısıyla enerjinin yine bir kısmı bu elastik şok dalgaları ile harcanmaktadır. Metalmetal çarpışma deneyinde 440 alaşımlı çelik malzemesinden hazırlanan metal takozlar kullanılmıştır. Metal-metal çarpışmalarda sönümleyici bir ara eleman olmaması durumunda çok yüksek anlık yükler oluşmasından dolayı, deneysel sistemin zarar görmemesi için birinci kolun başlangıç hızı.38 m/s değerinde tutulmuştur. Metal-metal çarpışma için, Şekil 0 da verilen konum-zaman verileri işlenerek elde edilen hız-zaman bilgileri Şekil de sunulmaktadır. Şekil 8. Polistren Malzeme için Konum-zaman grafiği Şekil 0. Metal Malzeme için Konum-zaman grafiği Şekil 9. Polistren Malzeme için Hız-zaman grafiği Polistren köpük malzeme, yükleme yapıldığı süre içerisinde kalıcı deformasyona uğramadan büyük ölçüde sıkışabilen bir yapıya sahiptir. Dolayısıyla, çarpma sürecinde eski haline dönme aşamasında üzerine yüklenmiş enerjiyi ikinci cisme yaklaşık tamamen aktarabilmektedir. Böylece kinetik enerji miktarının çok büyük kısmını duran kütleye aktarılmaktadır. Her iki Şekil. Metal Malzeme için Konum-zaman grafik analizi

5 Şekil de sunulan verilerin işlenmesiyle, v =.38 m/s iken çarpma sonrasında v =0.5 m/s, v =. m/s olarak tespit edilebilmektedir. Kuvvet etkime süresi t= 0.08 s olarak tespit edilmiştir. Bu veriler doğrultusunda m, =85 kg için Denklem 4 e göre sönümleme katsayısı e= 0.63, ilk enerji E k =8 J, Etkime kuvveti F=5336 N, Denklem den sönümlenen enerji E s =4,9 J olarak hesaplanmıştır. Deney amaçlı kullanılan bir diğer yapı ise Alüminyum profillerdir. Alüminyum profil malzemesi, çok farklı kesitlerde üretilebilir oldukları için enerji sönümlemede eniyileme çalışmalarında oldukça sık kullanılmaktadırlar. Bu çalışmada, dış çapı 75 mm boyu 50 mm ve cidar kalınlığı mm olan alüminyum profil kullanılmıştır. Deney numunesinin deforme olmuş hali Şekil de görülmektedir. Çarpma verileri, konum-zaman bilgileri ve grafiksel inceleme Şekil 6 ve Şekil 7 de örnek veri analizi için verilmiştir. Şekil 7 den, v = 7.38 m/s iken çarpma sonrasında v =4. m/s, v =3.3 m/s, kuvvet etkime (temas) süresi t=0.08 s olarak tespit edilmiştir. Bu veriler doğrultusunda m, =5 kg için Denklem 4 e göre sönümleme katsayısı e= 0.46, ilk enerji E k =3089 J, ortalama etki kuvveti F=6833 N ve Denklem den sönümlenen enerji E s =5 J olarak hesaplanmıştır. Boru kütlesi 94 gr, deformasyon boyu s=3mm için deforme olan kütle 4,38 gr olup, Denklem 3 den SES al =36,5 j/g bulunmuştur. Şekil. Alüminyum profil malzemesinin deformasyonu (aşamalı çökme) 5. Sonuç Ve Değerlendirme Bu çalışmada, dinamik (darbeli) yüklere maruz kalan malzeme/yapıların test ortamlarının sağlanması amacıyla bir test sisteminin tasarımı ve kurulumu yapılmıştır. Kurulan sistemde, Polistren malzeme (e=0,9 elastik deformasyon), çelik blok (e=0,63) ve alüminyum profil (e=0,46 yaklaşık plastik deformasyon) gibi literatürde önceden çalışılmış malzemeler test edilmiştir. Bu malzemeler için literatürden tespit edilen sönümleme katsayısı değerleri, Polistren köpük malzeme e=0,96 [], çelik blok malzemesi için e=0,6 [3] ve alüminyum profil yapı için spesifik enerji sönümleme SES=37 j/g [4] olarak belirtilmiştir. Bu değerler deney sonuçlarıyla kıyaslandığında sonuçların çok yüksek oranlarda benzeştiği görülmüştür. Sonuç olarak, yapılan örnek incelemelerden elde edilen değerler doğrultusunda sistemin farklı karakteristikteki çarpmalarda ihtiyaca cevap verebileceğini göstermiştir. Pultruded and ±45 Braided Tubes, Composite Structures, vol. 80, 53-64, 007 [3] Luo, R.K., Green, E.R., Morrison, C.J., Impact Damage Analysis of Composite Plates, International Journal of Impact Engineering, vol., , 999. [4] Lee, D.G., Lim, T.S., Cheon, S.S., Impact Energy Absorption Characteristic of Composite Structures, Composite Structures, vol. 0, , 000. [5] Mamalis, A.G., Manolakos, D.E., Ioannidis, M.B., Papapostolou, D.P., On the Response of Thin-Walled CFRP Composite Tubular Components Subjected to Static and Dynamic Axial Compressive Loading: Experimental, Composite Structures, vol. 69, , 005. [6] Browne, A.L., Jhonson, N.L., Dynamic Crush Test Using a Free-Flight Drop Tower: Theory, Proceedings of 00 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 43-46, Kasım 00. [7] Browne, A.L., Jhonson, N.L., Dynamic Crush Test Using a Free-Flight Drop Tower: Practical Aspects, Proceedings of 00 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 47-49, Kasım 00. [8] Williams, B.W., Oliveira D.A., Simha C.H.M., Worswick M.J., Mayer, R., Crashworthiness of straight Section Hydroformed Aluminum Tubes International Journal of Impact Engineering, vol. 34, , 007. [9] Al Galib, D., Limam A., Experimental and Numerical Investigation of Static And Dynamic Axial Crushing of Circular Aluminum Tubes, Thin-Walled Structures, vol. 4, 03-37, 004. [0] Tan, K.S., Wong, S.V., Umar., R.S.R., Hamouda A.M.S., An Experimental Study of Deformation Behaviour of Motorcycle front wheel-tyre Assembly Under Frontal Impact Loading, International Journal of Impact Engineering, vol. 3, , 006. [] Cengiz, A., Kompozit Malzemelerin Enerji Sönümleyici Özelliklerinin Belirlenmesi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi, 007. [] Rusmee, P., Devries, K. L., Mechanical Properties of EPS Foam Do Not Behave As Material Constants, American Physical Society, Annual March Meeting, March - 6, USA, 00. [3] Beer P.F., Johnston E.R., Vector Mechanics for Engineers: Dynamics, McGraw-Hill Inc., New York, 96. [4] Zarei, H.R. and Kröger M., Multiobjective crashworthiness optimization of circular aluminum tubes, Thin-Walled Structures, vol. 44, 3, , 006. Kaynaklar [] Griskevicius, P., Ziliukas, A., The Crush Energy Aborbtion of the Vehicles Front Structures, Transport, vol. 8, 97-0, 003. [] Han, H., Tahberi, F., Pegg, N., Lu, Y., A Numerical Study on The Axial Crushing Response of Hybrid