Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 4, No: 2, 2012 (37-44) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol: 4, No: 2, 2012 (37-44) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn: 1309-405X Makale (Article) Farklı Kesitlere Sahip Alüminyum 2024-T4 Malzemesinin Darbe Davranışının Numerik Olarak İncelenmesi Kadir GÖK*, Mehmet ERDEM*, Arif GÖK ** * Dumlupınar Üniversitesi, KTBMYO Makine ve Metal Teknolojileri Böl., Kütahya/ TÜRKİYE * Dumlupınar Üniversitesi, KTBMYO Makine ve Metal Teknolojileri Böl., Kütahya/ TÜRKİYE ** Amasya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Makine Mühendisliği Böl., Amasya/TÜRKİYE kadirgok67@hotmail.com mehmet.erdem@dpu.edu.tr arifgok8@hotmail.com Özet Herhangi bir darbe anında bir enerji ortaya çıkar. Bu enerjinin darbeye uğrayan malzeme tarafından kararlı bir şekilde sönümlenmesi istenir. Bu çalışmada, 4 farklı geometriye (çember, üçgen, dörtgen, beşgen) sahip kesitlere uygulanan darbe sonucu kesitlerin sergiledikleri enerji absorbsiyonları incelenmiştir. Bilgisayar destekli darbe testleri ANSYS/LS-DYNA program yardımı ile gerçekleştirilmiştir. Kuvvetin zamana göre değişiminde en kararlı seyri beşgen kesit sergilemiştir. En kötü seyri üçgen kesit sergilerken, çember ve dörtgen kesitlerin orta seviyede davranış sergilediği gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Darbe testi, darbe deformasyonu, sonlu elemanlar yöntemi 1. GİRİŞ Invesgation As Numeric of Impact Behaviour of Different Sections Having Aluminum 2024-T4 Material Abstract An energy occurs during any impact. This energy is damped as stable by material under the impact. In this study, energy absorption in the sections (circle, triangle, square, pentagon) were examined as a result of impact applied to sections. Computer aided impact tests was carried out with the help of ANSYS/LS-DYNA program. The best stabil behavior was found pentagon section in change according to the time of force. The worst behavior was demonstrated the triangle section, the circle and square sections were demonstrated that middle level behavior. Keywords: Impact test, impact deformations, finite element method Trafik kazaları sürücü, taşıt ve çevreye bağlı faktörlerin etkileşimiyle oluşan kompleks olaylardır [1]. Bir trafik kazasının meydana gelmesi için en az bir aracın olaya karışmış olması, eğer birden fazla araç varsa bunlardan en az birinin hareket halinde olması gerekir. Bir başka ifadeyle trafik kazaları araçlarla yapılmaktadır [2]. Araç güvenliği ile önemli hususların başında aktif ve pasif güvenlik donanımlarının kazaları azaltmaya yönelik etkileri gelmektedir. Aktif güvenlik donanımları, kaza oluşumunu ortadan Bu makaleye atıf yapmak için Gök, K., Erdem, M., Gök, A., Farklı Kesitlere Sahip Aluminum 2024-T4 Malzemesinin Darbe Davranışının Numerik Olarak İncelenmesi Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2012, (2) 37-44 How to cite this article Gök, K., Erdem, M., Gök, A., Invesgation As Numeric of Impact Behaviour of Different Sections Having Aluminum 2024-T4 Material Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2012, (2) 37-44
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 37-44 Farklı Kesitlere Sahip Alüminyum kaldırmaya ya da azaltmaya yönelik donanımlardır. Pasif güvenlik sistemleri ise, her şeye rağmen meydana gelen kazalarda gerek araç içindekilerin, gerekse diğer yolu kullananların en az zarar görmesi amacıyla geliştirilmiş donanımlardır. Her biri can güvenliği açısından büyük önem taşıyan bu donanımlardan birisi de darbe emici tamponlardır. Darbelerde çarpışma enerjisi otomobilin gövdesi tarafından sönümlenerek kabin içi güvenliği sağlanmalıdır [2,3]. Malzemelerin gösterdikleri mekanik özelikler bir takım testler yardımıyla belirlenebilir. Çekme, basma, eğilme, burulma, yorulma, sürünme, sertlik ve darbe gibi testler bunların arasındadır. Bu testler, malzemelerin mekanik davranışları ile ilgili birçok fikir verebilir. Makine ya da yapı elemanları ani şok darbelere maruz kalabilirler. Böyle durumlarda bu makine elemanının malzeme ve mekanik özelliklerinin rolü öne çıkmaktadır. Çünkü şok yükler altında malzemeden kendine çarpan cisme kararlı bir şekilde cevap vermesi beklenir. Eğer bu çarpışma türü bir otomobilin herhangi bir cisme ya da başka bir otomobile çarpması durumu ise çarpışma anında oluşan enerjinin makine elemanı tarafından kararlı bir şekilde sönümlenmesi beklenir. Aksi takdirde otomobil içindeki sürücü ya da yolcularda bir şok etkisi meydana gelebilir. Malzemelerin, herhangi bir darbe anındaki davranışlarını ve absorbe ettikleri enerjileri belirlemek için kullanılan darbe testleri de mevcuttur. Charpy testi bu yöntemlerden birisidir. Charpy testinde, Şekil 1 de görüldüğü gibi h0 yüksekliğinden bırakılan w ağırlığındaki sarkaç, numuneye çarparak kırar ve daha sonra en düşük hf yüksekliğine erişir. Sarkacın başlangıç ve son yükseklikleri bilindiğinde potansiyel enerji farkı hesaplanabilir. Bu fark, numunenin kırılması sırasında emilen (absorbe edilen) darbe enerjisidir. Malzemelerin ani darbelere dayanımı, malzemenin tokluğu ile ilişkilidir.. Şekil 1. Şematik Charpy darbe testi düzeneği [4]. Herhangi bir kaza anında, araçta depolanan kinetik enerjinin dengeli bir salınım ile sönümlenmesi istenmektedir. Bu durum farklı form ve geometrilere sahip darbe emiciler ile gerçekleştirilmektedir. Aracın sahip olduğu kinetik enerji darbe emiciler sayesinde plastik olarak deformasyon ile şekil değiştirme enerjisine dönüşmektedir. Darbe emicilerin kararlı bir şekilde burkulmaları kinetik enerjinin daha iyi şekil değiştirme enerjisine dönüşmesini sağlamaktadır. Böylece aracın atalet etkisi azaltılmış olur. Kararlı burkulmalar, akordiyon şeklinde katlanarak gerçekleşmektedir [5,6]. Literatürde, darbe ve enerji absorbsiyonu ile ilgili bazı çalışmalar mevcuttur. Öztürk ve Kaya [6], %40 ofsetli çarpışmaya maruz kalan otomobil ön tampon ve darbe emici sisteminin enerji absorbsiyonu incelenmiştir. Farklı kesit geometrileri ve yüksek mukavemetli malzeme kullanımı ile daha hafif araç ağırlıklarını elde etmeyi hedeflemişlerdir [7,8,9]. Silindirik kesite sahip ince cidarlı 38
Gök, K., Erdem, M., Gök, A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 37-44 yapılarda maksimum enerji absorbsiyonu için yanıt yüzey yöntemi ile yarıçap ve kalınlık parametrelerinin optimizasyonu gerçekleştirilmiştir [10]. Üzerinde katlanma başlatıcı geometri bulunmayan konik yapılı darbe emicilerin maksimum enerji absorbsiyonu ve minimum tepki kuvvetine göre konik bölgenin şekli optimize edilmiştir [11]. Bir araç ile aydınlatma direğinin çarpışma analizi yapılmıştır [12]. Gök ve Kişioğlu çalışmalarında, farklı malzeme özelliklerine sahip plakalara belirli bir uzaklıktan 3 farklı fırlatma hızı ile mermi göndermiştir. Darbeler sonucu plakaların sergileyeceği mekanik davranışlar incelenmiştir [13]. Günümüzde darbe ve çarpışma testleri çok maliyet gerektiren işlemlerdir. Bilgisayar işlemcilerinin gelişmesi ile birlikte bu işlemleri bilgisayar ortamında sayısal olarak modellemek hem zaman hem de maliyet açısından daha uygun olmaktadır. Bu çalışmada, 4 farklı geometriye (çember, üçgen, dörtgen, beşgen) sahip kesitlere uygulanan darbe sonucu dirençleri incelenmiştir. Fırlatılan cismin plakalarda oluşturduğu enerji absorbsiyonu incelenmiştir. Bilgisayar destekli darbe testleri ANSYS/LS-DYNA programı yardımı ile gerçekleştirilmiştir. 2. MALZEME ve METOD 2. 1 Kesitler İçin Malzeme Seçimi Havacılık alanında sıklıkla kullanılan alüminyum alaşımı levhalar çok çeşitli yapısal uygulamaların yanında, hareket halindeki cisimlerin hafif korunma sistemlerinde de kullanım alanı bulmaktadır. Çarpma veya yüksek hızlı yükleme şartları, zırh sistemleri ile ilgili uygulama alanlarının önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. Bu tip uygulamalarda, yapının ağırlığı önemli bir tasarım ölçütüdür. Bu nedenle, yüksek ağırlığa sahip geleneksel malzemeler yerine, daha hafif olan alüminyum alaşımların sıklıkla tercih edildikleri bilinmektedir [14]. Analizlerde kullanılan alüminyum kesit, blok ve tabla elemanına ait mekanik özellikler Tablo 1. de verilmiştir. Tablo 1. Deneyde kullanılan plaka malzemelerin mekanik özellikleri [15]. Özellikler Aluminum 2024-T4 Blok Tabla Elastikiyet Modulü (Pa) 73.1x10 9 200 x10 9 200 x10 9 Yoğunluk (kg/m3) 2780 66250 7820 Poisson Oranı 0.33 0.3 0.3 Akma Dayanımı (Pa) 3.24x10 8 2. 2 Kesitlerin Darbe Analizi İçin Sonlu Elemanlar Metodu Bu çalışmada, 4 farklı geometriye (çember, üçgen, dörtgen, beşgen) sahip kesitlere uygulanan darbe sonucu kesitlerin dirençleri incelenmiştir. Fırlatılan cismin plakalarda oluşturduğu darbe deformasyonu, gerilme değerleri ve enerji absorbsiyonu incelenmiştir. Bilgisayar destekli darbe testleri ANSYS/LS-DYNA program yardımı ile gerçekleştirilmiştir. Üç eleman ile gerçekleştirilen bu problemde, hareketli ve rijit olarak tanımlanan cismin adı blok, enerji sönümlenmesi incelenmek istenen hareketli eleman kesit ve sabit olan diğer eleman ise tabla olarak adlandırılmıştır. Kesit için Thin Shell 163, blok ve tabla için ise 3D Solid 164 eleman tipi seçilmiştir. Tabla (rijid eleman) tüm yönlerde hareketsiz kalacak şekilde sınırlandırılmıştır. Elemanların geometrik boyutlandırılması ve ağ yapıları Şekil 2 de verilmiştir. Blok ve kesit elemanı arasında NodsToSurfaces algoritması Tied (TDNS) tipinde seçilmiştir. Elemanlar arasında oluşacak sürtünme kuvvetleri için; statik sürtünme katsayısı:0.3, dinamik sürtünme katsayısı:0.25 olarak seçilmiştir. Ayrıca Single Surfaces algoritması Auto General tipinde seçilerek tüm yüzeylerin temas kontrolleri sağlanmıştır. 39
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 37-44 Farklı Kesitlere Sahip Alüminyum Problem her bir adım 2.10-5 sn olmak üzere 100 adımda çözülmüştür ve toplam çözüm süresi 0.002 sn olarak tanımlanmıştır. Modellemede çember kesite sahip silindir için toplam 4000 eleman ve 4080 düğüm kullanılmıştır. Plaka kalınlığı 2 mm seçilerek, blok ve kesite 50 m/sn lik başlangıç hızları uygulanmıştır. a) b) Şekil 2. a) Geometrik boyutlar, b) Cember kesıtın ağ yapısı. 3. SONUÇLAR 3. 1 Kesitlerin Enerji Absorbsiyonu 4 farklı kesite sahip Aluminum 2024-T4 malzemesinin darbe sonucu göstermiş olduğu enerji absorbsiyonu belirlenmek istenen bu çalışmada, sınır şartları sağlanmış ve çarpışma modelleri ANSYS/LS-DYNA yazılımında çözdürülmüştür. Enerji absorbsiyonunu belirlemek için gerekli olan enerji-zaman ve kuvvet-zaman değerleri her bir kesit için ayrı ayrı elde edilmiştir. Darbe esnasında rijit eleman kesitler ile temas ettiği andan itibaren onları kalıcı olarak deforme etmeye çalışmıştır (Şekil 3). Kesit elemanlar yerel burkulmalar ile rijit elemanın sahip olduğu kinetik enerjiyi şekil 40
Gök, K., Erdem, M., Gök, A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 37-44 değiştirme enerjisine dönüştürerek darbe enerjisini absorbe etmeye çalışırlar. Eğer darbe kaza sonucu bir aracın çarpışma olayı ise sürücü ve yolculara zarar gelmemesi açısından aracın kinetik enerjisinin dengeli ve sürekli bir biçimde sönümlenmesi ile atalet etkisi azalır ve aracını içindeki kişilere gelecek zarar azaltılmış olur. Şekil 4 te 4 farklı kesit için darbe anında meydana gelen kinetik enerji değişimi görülmektedir. Kinetik enerjinin en kararlı bir biçimde zamana göre değişiminin beşgen kesitte sergilendiği görülmektedir. Herhangi bir darbe anında darbeye uğrayan elemanlarda meydana gelen tepki kuvvetlerinin durumu darbe türüne göre çeşitlilik gösterir. Eğer darbe olayı bir araç çarpışması işe meydana gelen kuvvetlerin çok yüksek olması araç içindeki sürücü ve yolcular acısından olumsuz bir etkiye sahiptir. Bundan dolayı bu tur kazalarda meydana gelen tepki kuvvetlerinin düşük seviyede gerçekleşmesi istenir. Fakat bu durum enerji absorbsiyonu mantığına ters düşer. Çünkü darbe esnasında meydana gelen kuvvet-zaman eğrisi altında kalan alan absorbe edilen toplam enerji miktarını temsil etmektedir. Böyle durumlarda kuvvet değişiminin çok yüksek değerlerde olmasından ziyade belirli bir ortalama kuvvet etrafında kararlı bir seyir izlemesi istenir. Sekil 5 te farklı kesitlerde meydana gelen kuvvet-zaman eğrileri görülmektedir. Kuvvetin zamana göre değişiminde en kararsız seyri üçgen kesit sergilerken, en kararlı seyri ise beşgen kesitin sergilediği gözlenmiştir. Çember ve dörtgen kesitler ise genel olarak iyi bir seyir izlemelerine karşın ara zamanlardaki yüksek dalgalanmalarla bu seyri bozmaktadırlar. Aynı zamanda darbenin başlangıcında oluşan ilk tepki kuvvetlerinin yüksek olması da istenmeyen bir durumdur. Üçgen kesitinin ilk tepki kuvveti en yüksek değerdeyken, beşgen kesit de ise diğer kesitlere göre en düşük ilk tepki kuvveti oluşmuştur. Şekil 6 da 4 farklı kesitte meydana gelen eksenel burkulmalar görülmektedir. Dörtgen ve beşgen kesitlerin diğer iki kesite göre daha kararlı bir eksenel burkulma davranışı sergiledikleri gözlenmiştir. Şekil 3. Darbe süresi boyunca gerilme ve deformasyon durumları. 41
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 37-44 Farklı Kesitlere Sahip Alüminyum Şekil 4. Darbe anında meydana gelen kinetik enerji değişimi. 0,003 0,002 Üçgen Çember Dötgen Beşgen Kuvvet (N)a 0,001 0-0,001 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002-0,002-0,003 Zaman (sn) Şekil 5. Darbe anında 4 farklı kesitin kuvvet değişimi. 4. DEĞERLENDİRME Şekil 6. Kesitlerin eksenel burkulma davranışı. 42
Gök, K., Erdem, M., Gök, A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 37-44 4 farklı geometriye (çember, üçgen, dörtgen, beşgen) sahip kesitlere uygulanan darbe sonucu kesitlerin sergiledikleri enerji absorbsiyonlarının incelendiği bu çalışmada, Kinetik enerjinin en kararlı bir biçimde zamana göre değişimi beşgen kesitte sergilendiği görülmektedir. Kuvvetin zamana göre değişiminde en kararsız seyri üçgen kesit sergilerken, en kararlı seyri ise beşgen kesitin sergilediği gözlenmiştir. Çember ve dörtgen kesitler ise ara genel olarak iyi bir seyir izlemelerine karsın ara zamanlardaki yüksek dalgalanmalarla bu seyri bozmaktadırlar. Üçgen kesitinin ilk tepki kuvveti en yüksek değerdeyken, beşgen kesitte ise diğer kesitlere göre en düşük ilk tepki kuvveti oluşmuştur. Dörtgen ve beşgen kesitlerin diğer iki kesite göre daha kararlı bir eksensel burkulma davranışı sergiledikleri gözlenmiştir. 5. KAYNAKLAR 1. Liu, C., Chen, C., Subramanian, R., Utter, D., 2005, Analysis of Speeding-Related Fatal Motor Vehicle Traffic Crashes, NHTSA Technical Report DOT HS 809 839, Washington, USA. 2. Erdem, M., 2009, Türkiye de Trafik Sorununun Mevcut Durum Analizi ve 4E Yaklaşımıyla Çözüm Önerisi, 1.Uluslararası 5.Ulusal Meslek Yüksekokulları Sempozyumu, Selçuk Üniversitesi Kadınhanı Faik İçil Meslek Yüksekokulu, Konya. 3. Yang, R., Li, J., 2011, Development and Test of a Crash Experimental System of the Level Ejection Type Automobile Bumper Key Engineering Materials Vol. 486, pp 274-278. 4. Erdoğan, M., 1998, Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri, Nobel Yayın Dağıtım, 111-112. 5. Nakazawa, Y., Tamura, K., Yoshida, M., Tagaki, K., Kano, M. 2005, Development of Crash- Box For Passenger Car With High Capability For Energy Absorption, VIII. International Conference on Computational Plasticity, Barcelona, Spain. 6. Öztürk, İ., Kaya, N., 2008, Otomobil Ön Tampon Çarpışma Analizi ve Optimizasyonu, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 13, Sayı 1, 119-127. 7. Giess, M., Tomas, J. 1998, Improving Safety Performance in Frontal Collisions by Changing The Shape of Structural Components, Proceedings of the 16th International Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Ontario, Canada. 8. Tarigopula, V., Langseth, M. 2005, An Experimental and Numerical Study of Energy Absorption in Thinwalled High-Strength Sections, WIT Transactions on Engineering Structures, 49, 495-507. 43
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 37-44 Farklı Kesitlere Sahip Alüminyum 9. Yamazaki, K., Han, J. 1999, Maximization of The Crushing Energy Absorption of Stiffened and Unstiffened Square Tubes, 3rd WCSMO, World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization. 10. Yamazaki, K., Han, J. 2000, Maximization of The Crushing Energy Absorption of Cylindrical Shells, Advances in Engineering Software, 31, 425-434. 11. Chiandussi, G., Avalle, M. 2002, Maximization of The Crushing Performance of a Tubular Device by Shape Optimisation, Computers and Structures, 80, 2425-2432. 12. Klyavin, O., Michailov, A., Borovkov, A., 2008, Finite Element Modeling of the Crash-Tests for Energy Absorbing Lighting Columns, ENOC-2008, Saint Petersburg, Russia. 13. Gök, K., Kisioğlu, Y., 2010, Farklı Malzeme Özelliklerine Sahip Plakaların Darbe Davranışlarının Sonlu Elemanlar Yöntemi İle İncelenmesi, 2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi, Balıkesir. 14. Børvik, T., Clausen, A.H., Eriksson, M., Berstad, T., Hopperstad, O.S. and Langseth, M., 2005, Experimental and Numerical Study on The Perforation Of AA6005-T6 Panels Int. Journal of Impact Engineering, Vol.32, pp. 35-64,. 15. http://asm.matweb.com/search/specificmaterial.asp?bassnum=ma2024t4 44