CES SELECTOR EXERCISES EXERCISE -1-

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "CES SELECTOR EXERCISES EXERCISE -1-"

Berk Bozer
6 yıl önce
İzleme sayısı:

1 CES SELECTOR EXERCISES EXERCISE -1-

2 BİSİKLET KASKI MALZEMELERİ GİRİŞ Bu çalışma, CES Selector yazılımının malzeme seçiminde nasıl kullanıldığını ortaya koymaktadır. Kullanılan metotla ilgili daha ayrıntılı bilgiler 1 ve 2 numaralı referanslarda yer almaktadır. İngiltere küçük bir ülke olmasına rağmen, ölümlü bisiklet kazaları her yıl 200 ü aşmaktadır. Bu nedenle kask kullanan sürücülerin artması, yaşanan kazalarda kafanın korunması açısından son derece önemlidir. Kaskların darbe sönümlemesinde en önemli eleman, genişletilmiş polistrenden (EPS) yapılan köpürtülmüş polimer kaplamadır. Polimer köpükler hem kolay üretildikleri için; hem de tek yönlü bir katmanlı yapıları olmadığından her yöndeki darbeleri karşılayabildikleri için tercih edilirler. Kask tasarımcıları 5 m/s lik sabit hızlarda yapılan standart darbe testlerini kullanarak yoğunluk ve kalınlık seçimi yaparlar. Peki bu ampirik seçim daha rasyonel bir prosedürle değiştirilebilir mi? Şekil 1 de kask şeması gözükmektedir. Kullanışlı olması için kask kalınlığı belirli bir değerin üzerine çıkamaz. Bu nedenle tüm kasklar 20 mm lik bir kalınlığa sahiptir. Bundan dolayı kaplama malzemesinin birim hacim başına maksimum enerjiyi absorbe edebilmesi ve başa gelen yükün hasar oluşturma seviyesinin altında tutması gerekmektedir.

3 Tasarım gereksinimleri Fonksiyon Taşınabilir bisiklet kaskı Nesne Birim hacme düşen enerji miktarını maksimum seviyede absorbe etmesi Kriter Kafatasına düşen yük hasar oluşturan yükten küçük olmalı Model Kask kaplamasının iki adet darbe sönümleme fonksiyonu vardır. Birincisi, tekil dış kuvveti daha büyük bir alanda yayarak ortaya çıkan gerilmeyi düşürmesidir. İkincisi ise bu yayılı yükü belli bir üst limitte tutmasıdır. Dolayısıyla malzeme seçiminde en önemli kriter bu yayılı yükü kabul edilebilir bir maksimum seviyede tutmaktır. Argümanlar karışık olabilir fakat aşağıdaki şekilde açıklayabiliriz: İnsan kafasının darbe anında maksimum yavaşlama ivmesi 3000 m/ s 2 dır ve sadece birkaç milisaniye sürmektedir. Bu yavaşlama miktarından daha büyük darbeler geri dönülmez yaralanmalara yol açabilir. İnsan kafasının kütlesi ise yaklaşık 3 kg dır. Böylece kabul edilebilir maksimum kuvvet Newton yasasından: F = m a = 9 kn Kask kaza sırasında, kafa tasıyla çarpılan bölge arasında yaklaşık olarak 10-2 m 2 lik bir izdüşüm alamnda yükü yayar. Burada darbe yükünün 9 kn u aşmaması için köpüğün taşıması gereken maksimum gerilme: sc(0.25) = F/A = 0.9 MPa olmaktadır. Darbe sönümlenmesi, malzemenin enerji absorbe etme yeteneğine bağlıdır. SEÇİM Şekil 2 de CES tarafından oluşturulmuş, enerji sönümleme miktarlarına göre seçim yapmaya imkan veren çizelge görünmektedir. Çizelge maksimum bası şekil değişiminin, %25 şekil değiştirme oranındaki basma dayanımına göre (Plateau gerilmesi) değişimini içermektedir. Köpüğün enerji absorbe etme yeteneği plateau gerilmesi ile ölçülmektedir. Siyah çizginin üstünde kalan malzemeler birim hacimde maksimum miktarda enerjiyi sönümlerler.

4 Şekil 3 te, yine aynı eksen takımlarını içeren bir grafik görülmektedir fakat bu kez 0.9 MPa ın altındaki enerjileri absorbe edebilen malzemeler görülmektedir. (Grafikler hesaplanan kafatası yüküne göre elde edilmiştir.)

5 4 numaralı çizelge ise her iki aşamayı da geçen en uygun adayları göstermektedir. Bunlar 0.05 Mg/m 3 lük yoğunluğa sahip genişletilmiş polestren, Cork ve ultra düşük yoğunluklu Balsa dır.

6 EPS (0.05), yaklaşık 0.8 MJ/m 3 enerji absorbe etme yeteneğine sahiptir ve diğer malzemelerden bu anlamda daha üstündür ancak dikkate alınacak ölçüde yüksek yoğunlukludur, yani ağırdır. Bu nedenle daha hafif ve düşük yoğunluklu malzemeleri seçmeye yönelik bir eğilim vardır. 3 nolu şekilde aynı Plateu gerilmesinde çok daha az enerji sönümleyen alternatif malzemeler de görülmektedir. Örneğin PU(0.53) sadece 0.4 MJ/m 3 enerji absorbe edebilmektedir. 3 nolu şekil incelenirse, farklı durumlar için de uygun malzemeler gözlemlenebilir. Örneğin maksimum kabul edilebilir gerilme 0.04 MPa olsaydı, en uygun çözüm düşük yoğunluklu poli-etilen olurdu. Aynı şekilde 10 MPa gerilme değeri için 10 MJ/m 3 lük Balsa en iyi çözümdür. Sonuçlar: Tüm Aşamaları Geçen Malzemeler Balsa, ultra düşük yoğunluklu Cork Polestren köpük, kapalı gözlü (0.050)

7 Kaynaklar 1. Ashby, M.F. 'Materials Selection in Mechanical Design', Pergamon Press, Oxford, UK, 'Cambridge Materials Selector User's Manual', Granta Design Limited, Cambridge, UK, Mills, N.J. and Gilchrist, A. 'The Effectiveness of Foams in Bicycle and Motorcycle Helmets', Accid. Anal. and Preview, 23, pp , Gibson, L.J. and Ashby, M.F. 'Cellular Solids, Structure and Properties', 2nd edition, Cambridge University Press (1996).

Benzer belgeler

Kırılma Hipotezleri. Makine Elemanları. Eşdeğer Gerilme ve Hasar (Kırılma ve Akma) Hipotezleri

Kırılma Hipotezleri. Makine Elemanları. Eşdeğer Gerilme ve Hasar (Kırılma ve Akma) Hipotezleri Makine Elemanları Eşdeğer Gerilme ve Hasar (Kırılma ve Akma) Hipotezleri BİLEŞİK GERİLMELER Kırılma Hipotezleri İki veya üç eksenli değişik gerilme hallerinde meydana gelen zorlanmalardır. En fazla rastlanılan