OTEKON2012 6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 04 05 Haziran 2012, BURSA ARAÇ KOLTUK BAĞLANTILARININ BENZETİM DESTEKLİ OPTİMUM TASARIMI Ferruh Öztürk 1, Gökhan Şendeniz 2, Gürkan Ayyıldız 2, Emre Dolaylar 2 1 Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Bursa 2 GRAMMER Koltuk Sistemleri San. ve Tic. A.Ş. DOSAB Mustafa Karaer Caddesi Bursa ÖZET Otomotiv endüstrisinde parça ve sistem tedarikçisi olarak yer alan firmaların yenilikçi tasarım için yapacakları tasarım ve optimizasyon çalışmaları önümüzdeki yıllarda sektörde ki konumlarını belirleyecektir. Bu nedenle, rekabet edebilecek teknolojiye dayalı üretim yapabilmek için araç koltuk üretiminde sanal ortamda tasarım ve optimizasyon teknikleri kullanımının benimsenmesi ve optimizasyon tekniklerinin koltuk tasarım ve imalat sürecine entegrasyonu gerekmektedir. Bu bildiride araç koltuk bağlantılarının sanal ortamda benzetim ve optimizasyon teknikleri kullanımı ile tasarlanması çalışmaları anlatılmıştır. Anahtar kelimeler: Araç koltuk tasarımı ve imalatı, Koltuk bağlantı elemanları, Optimizasyon ABSTRACT In the coming years, the firms that are involved in the automotive industry as supplier of parts and system will do design and optimization studies for innovative design and these studies will determine their position in the sector. Therefore, in order to make production based on competitive-technology, adoption of using design and optimization techniques and integration of seat design and manufacturing process of optimization techniques are required in the production of car seat in virtual environment. In this paper, design studies regarding car seat pedestal with the use of simulation and optimization techniques in virtual environment are discussed. Keywords: Vehicle seat design and manufacturing, Seat pedestal, Optimization 1. GİRİŞ Günümüzde araç geliştirme ve araştırma çalışmalarında daha hafif araçların tasarımı ve üretimi daha ekonomik ve düşük emisyonlu araçların tasarımı açısından önem arz etmektedir. Önümüzdeki yıllarda artan oranda piyasada yer alması beklenen hibrit ve elektrikli araçlar açısından da araç ağırlıklarının azaltılması en önemli araştırma konularından birisidir. Araç yolcu koltukları incelendiğinde yapıyı 3 temel gruba ayırabiliriz. Bunlar arkalık, oturak-şase ve koltuk bağlantı elemanı ayaktan oluşmaktadır. Araç bağlantı elemanı olarak nitelendirdiğimiz ayakların önemli bir ağırlığı mevcuttur. Araç üreticilerinin son zamanlarda koltuktan beklediği en temel hedeflerden birisi araç 1 ağırlığının azaltılmasıdır. Koltuk üreticileri yaptıkları yeni tasarımlarda bunu dikkate almaktadır. Hafiflik istenen temel hedef olsa da bunu en ucuz ve en kolay üretim yöntemi ile yapılması gerekmektedir. Üretilecek en uygun ayağında koltukla beraber belli regülasyonları sağlaması gerekmektedir. Koltuk bağlantı elemanı olan ayakların üretim öncesi tasarımlarını doğrulamak adına bazı optimizasyon ve sonlu eleman analizleri yapılmaktadır. Tasarımı yapılan ayakların sonlu elemanlar modeli bu çalışmada Hyperworks programı ile oluşturulmuştur. Bu model üzerinden Optistruct çözücüsü ile optimizasyonlar gerçekleştirilir. Daha sonra ise Radioss çözücüsü yardımı ile koltuk emniyet kemer çekme testi
simülasyonlarına (ECE-R 14) tabi tutulan ayakların Von-Misses değerleri ile yüzde uzama değerleri göz önüne alınarak küçük lokal kopmalar olsa da yapının bütünlüğünü koruyup, uygulan kuvvetlere dayanması göz önüne alınır [3,4,6]. Bu bildiride takip eden bölümlerde araç koltuk bağlantılarının sanal ortamda benzetim ve optimizasyon teknikleri kullanımı ile tasarlanması çalışmaları uygulama örnekleri verilerek anlatılmıştır. 2. ARAÇ KOLTUK TASARIM VE İMALATI Koltuk tasarımı yapılırken öncelikle hedef pazar araştırılır. Araç sınıfı tespit edilerek hangi kategoride kullanılacak bunlara dikkat edilir. Müşteri isteklerine kolay adapte edilecek, farklı yapısal değişikliklere imkân verecek şekilde bileşenler oluşturulur. Bir koltuk oluşturulurken daha önceden yapılmış çalışmalar, piyasada bulunan mevcut koltuklar iyi etüt edilerek farklı tasarıma sahip bir ürün oluşturulur. Yolcu koltuklarını ele aldığımızda standart koltuğun yanında müşterinin de beklentileri vardır. Araç bağlantıları, aracın gürültü ve titreşim sorunları, koltuğun ağırlığı, ek fonksiyonlar gibi. Ek fonksiyonları açıklayacak olursak; örneğin koltuğun yana açılması, koltuğun 2 nokta ya da 3 nokta emniyet kemerli olması, tablet paralellik ayarı, arkalık eğiklik ayarı gibi etkenler koltuğun tasarımını ve yapısını değiştirmektedir. Bir koltuk oluşturulurken öncelikle Bilgisayar Destekli Tasarım ile sanal ortamda dizaynı yapılır. Koltukta istenen fonksiyonlar da göz önünde bulundurularak koltuğun bileşenleri CAD ortamında oluşturulur. Bu aşamada daha önceden tasarlanan koltuklar da incelenir ve gerekirse ortak parçalar kullanılarak maliyetler azaltılır. Bileşenler oluşmaya başladığında her biri kendi yük koşullarında sonlu elemanlar modeli oluşturularak simülasyona tabi tutulur [1]. Bu sayede ilk yatırım masrafları düşürülür. Ayrıca koltuk bileşenlerinin üretilebilirliği araştırılarak tasarıma yön verilir. Tasarım belirli aşamaya getirildiğinde prototip kalıpları oluşturulur. Bu sayede koltuk fonksiyonlarının çalışalabilirliği test edilir ve ergonomik açıdan sünger yapısı oturularak denenebilir. Sünger yapısı ile beraber prototip merkezinde kılıf çalışması başlar. Pastallar oluşturulur ve farklı döşeme türleri denenir. Bu sayede görselliğine bakılır ve müşteriye sunulur. Fonksiyonlar ve ergonomik açıdan uygunluklar test edildikten sonra uygulanabilen fiziksel testlerle de yapısal mukavemetleri doğrulanır. Regülâsyonlarda sağlanmış olur. Bu sayede simülasyonlar ile fiziksel testler arasındaki korelasyon da yapılmış olur. Tasarım tamamen tamamlandıktan sonra gerekli kalıplar oluşturulur. İlk parçalar üretilerek koltuk prototip merkezinde son haline getirilir. Eğer gerekirse kalıplar revize edilerek seri üretim öncesi tüm eksiklikler giderilir. 3. ARAÇ KOLTUK TASARIM DOĞRULAMA TEST VE SİMULASYONLARI Araç sınıflarını tanımlamak adına belirli kategoriler oluşturulmuştur. Bunlar N ve M sınıfı olarak isimlendirilir. N sınıfı yük taşıma amacıyla tasarlanmış ve imal edilmiş, en az 4 tekerlekten oluşan araçları kapsamaktadır. M sınıfı ise yolcu taşıma amacıyla tasarlanmış ve imal edilmiş, en az 4 tekerlekli araçları kapsamaktadır. Bu projede yolcu koltukları yani M sınıfı araçlar ile çalışılmıştır. M sınıfı araçların kategorilerini incelersek; 1-M1 Kategorisi: Yolcu taşıma amacıyla tasarımlanmış ve imal edilmiş, sürücü koltuğuna ilave olarak en fazla sekiz kişilik oturma yeri olan motorlu araçlardır. 2-M2 Kategorisi: Yolcu taşıma amacıyla tasarımlanmış ve imal edilmiş, sürücü koltuğuna ilave olarak sekizden fazla oturma yeri olan ve azami kütlesi 5 ton'u aşmayan motorlu araçlardır. 3-M3 Kategorisi: Yolcu taşıma amacıyla tasarımlanmış ve imal edilmiş, sürücü koltuğuna ilave olarak sekizden fazla oturma yeri olan ve azami kütlesi 5 ton'u aşan motorlu araçlardır. M sınıfı araçlarda koltukların belirli homologasyon ve şartları sağlaması istenmektedir. Bu yüzden koltuk tasarımı yapıldıktan sonra seri üretime geçmeden önce koltuk belirli şartlarda test edilmektedir. Araç koltuklarında uygulanan başlıca testler şunlardır; 1-Crash Testi ( ECE R17/R80 ) : Aracın ani frenleme ya da çarpma anını simüle eder (Şekil 1). 2
4-Oturak ve Arkalık İtme-Çekme Testleri: İki şekilde yapılır. Birincisi belirli bir statik yük altında bir defaya mahsus olmak üzere koltuğun arkalık ve oturak dayanımını ve esnemesini görmek adına yapılır. İkinicisi ise belirli bir statik yük altında belirli bir frekans ve belirli bir çevrimde koltuk ile oturağın dayanımını görmek adına yapılır (Şekil 4). Şekil1: Crash testi 2-Emniyet Kemer Çekme Testi (ECE R14 76/115 EWG): Aracın bir bakıma çarpışma anında koltuğa gelen yüklerini simüle eder (Şekil 2). Şekil4: Arkalık dayanım testi 5-Çuval Düşürme Testleri: Koltuğun belirli bir kilogramdaki ağırlığa, belirli bir frekans ve çevrimde dayanımını görmek adına yapılır. 6-Enerji Dağılım Testi ( 74/60/AT ): Koltuğun çarpışma anında insan vücudunun uyguladığı enerji dağılımını görmek adına yapılır. Crash test yapılmıyor ise yapılır (Şekil 5). Şekil2: 3 nokta emniyet kemer çekme testi 3-Arkalık İtme Testi ( 74/408/AT ): Koltuğun belirli ölçüler arasında esnemesini test etmektedir. Eğer crash test yapılmıyor ise yapılır (Şekil 3). Şekil5: Enerji dağılım testi Şekil3: Arkadan itme testi Tüm testler insan güvenliği ve koltuğun uzun süre kullanımı adına yapılmaktadır. Her test gerekli normları sağlamalıdır. Tasarımı yapılan koltuğun birçok testi sağlaması gerektiği göz önüne alınırsa yapılacak küçük bir tasarım hatası, yatırımların boşa 3
gitmesine yol açabilir. Bu nedenle Bilgisayar destekli benzetim ve sayısal analiz teknikleri yapılarak, üretim öncesinde oluşabilecek riskler ile geri dönüşümler minimuma indirgenmektedir. Yukarıda belirtilen Crash Testi, Emniyet Kemer Çekme Testi, Arkalık İtme Testi gibi testlerin simülasyonlarının yanı sıra dizayn aşamasında koltuğu oluşturan her bir bileşenin sonlu elemanlar simülasyonları yapılmaktadır. Örneğin koltuk araç bağlantılarının yani koltuk bağlantı elamanı tasarımı yapılırken, bu bileşene gelecek yükler tahmin edilebilir. Dizaynı yapılan ayağın sonlu elemanlar modeli oluşturularak yük altında davranışı incelenerek tasarıma yön verilir (şekil 6). Bu sayede koltuğun her bir bileşeni kendi içerisinde doğrulanıp maksimum yüklere dayanabilecek bir koltuk elde edilebilir. Koltuk araç bağlantılarını en iyi şekilde testini sağlayan ise emniyet kemer çekme testidir. Bu emniyet kemer çekme testleri ECE-R 14 regülasyonunda tanımlanmıştır. ECE-R 14 regülasyonuna göre emniyet kemer bağlantıları test edilmektedir. Her bir koltuk bağımsız olarak şartnameye göre fiziksel test edilmekte ve onayı alınmaktadır. Regülasyona göre ölçüleri belirli alt ve üst çekme aparatları ile statik yükler koltuğa uygulanmaktadır. zamanda maksimuma ulaşıp, bu maksimum yükte yapının bu yüklere dayanması gerekmektedir. Koltuğu uygulan kuvvetler aracın dahil olduğu sınıfa göre hesaplanmaktadır 4. KOLTUK BAĞLANTI ELEMANLARININ TASARIMI VE SİMÜLASYONLARI Koltuk bağlantı elemanlarının yani ayakların tasarımı sırasında dikkat edilmesi gereken hususlar vardır. İlk olarak müşterinin aracındaki koltuk bağlantı yerleri ve oturma pozisyonundaki oturma yükseklikleridir. Koltuğun oturma yüksekliğini ayağın boyutlarıyla ayarlanır. Bu yüzden tasarımı yapılan koltuk bağlantılarının yükseklik aralığına göre dizaynı yapılır. Dizaynı yapılan ayakların en kısa ve en uzununun üretilebilirliği incelenmelidir. Müşterinin diğer bir isteği de koltuğun hafif olmasıdır. Koltukta ayakların ağırlığı önemli bir yer tutmaktadır. Bunu hafifletmek adına üretim yöntemleri ve alternatif malzemeler araştırılmaktadır. Yapılan çalışmada alternatif üretim yöntemleri ve malzemelere göre emniyet kemer çekme simülasyonlarından geçebilirliği esas alınmıştır. Bunun sonucunda da maliyetler araştırılmıştır. Koltuk araç bağlantı elemanları testi geçmelidir fakat minimum malzeme kullanılmalıdır. Bu koltuğu hem hafifletmek hem de gelen yükleri absorbe etmek içindir. Çalışmada bir koltuk tipi seçilerek ayak tipleri değiştirilmiş ve yapının 3 nokta emniyet kemer çekme testi simülasyonları yapılmıştır. Alt bloktan ve üst bloktan yük uygulanarak zamana bağlı explicit analizi yapılmıştır (Şekil 7). Şekil 6: Alt ve üst çekme bloklarının sonlu elemanlar modeli Fiziksel test sonucunda yapıda oluşan kalıcı deformasyonlar ve lokal biçimde oluşan kopmalar regülasyona uygunluğu engellememektedir. Test sonucunda yapının bütünlüğünü koruması istenmektedir. Test koşullarında yükler en kısa Şekil7: Modele etki eden kuvvetlerin grafiği 4
Şekil8: Koltuğun sonlu elemanlar modeli Şekil11: Profil ayağın Von-Mises gerilme dağılımı İlk olarak S235JR malzemesinden pres ayak tasarımı 3 nokta emniyet kemer çekme testi simülasyonundan geçer hale getirilmiştir (Şekil 9-10). Şekil12: Profil ayağın plastik gerinme dağılımı Son olarak ta alüminyum alaşımlı bir ayağın tasarımı yapılarak teste tabi tutulmuştur (Şekil 13-14). Şekil 9: Sac pres ayağın Von-Mises gerilme dağılımı Şekil13: Alüminyum ayağın Von-Mises gerilme dağılımı Şekil10: Sac pres ayağın plastik gerinme dağılımı Daha sonra yine aynı malzemeden profil ayak tasarımı yapılarak testten geçmesi sağlanmıştır (Şekil 11-12). Şekil14: Alüminyum ayağın plastik gerinme dağılımı 5
5. KOLTUK ELEMANLARININ OPTİMUM TASARIM YÖNTEMLERİ Optimizasyon matematiksel olarak bir fonksiyonun maksimum veya minimum değerini veren durumların bulunması işlemidir şeklinde tanımlanabilir. Optimizasyon mühendislikte ise; Verilen koşullar altında en iyi sonucu elde etme işlemidir şeklinde ifade edilir [5]. Bir optimizasyon veya matematiksel programlama problemi aşağıdaki gibi ifade edilebilir; Bir F(x) fonksiyonunu aj(x) kj j=1,2,, n bj(x) =lj j=1,2,, m şartları altında minimum yada maksimum kılacak X={x1,x2, xn} değerlerinin bulunması şeklinde tanımlanabilir. Burada x, n boyutlu bir tasarım vektörü, F(x) amaç fonksiyonu, aj(x) ler eşitsizlik şeklinde ifade edilen kısıtlar, bj(x) ler eşitlik halinde ifade edilen kısıtlar ve kj ile lj sabitlerdir. Optimizasyon problemleri F(x) in şekline bağlı olarak sınıflandırılabilirler. Eğer F(x) ve kısıtlar doğrusal ise, doğrusal(lineer) programlama söz konusudur, eğer F(x) kısıtlarda doğrusal değilse, doğrusal olmayan programlama söz konusudur. Optimizasyon yapılırken tanımlanması gereken ifadeler vardır. Bunlar amaç fonksiyonunun çıkarılması, tasarım değişkenlerinin belirlenmesi ve kısıtlamaların tanımlanmasıdır. Çok amaçlı problemlerde kriter sayıları belirlenen amaçlara göre tespit edilir. Bu çalışmada tek amaçlı optimizasyon yapılmıştır. Optimizasyon eldeki değerler içerisinden en iyi olanı seçmektir. Yani bir kriter belirlenmelidir. İşte bunun matematiksel olarak tasarım değişkenleri cinsinden ifadesi amaç fonksiyonudur. Sistemde bazı nicelikler belirlenir. Bazıları sabit kabul edilir, bazıları tasarım boyunca değişir. Bunlara tasarım değişkenleri denir. Tasarımın en uygun halini almasını sağlayan sınırlamalara ise kısıtlamalar denir. Tasarım modelinin optimizasyon çalışmaları için paket programlar (Optisruct vb.) ve optimizayon teknikleri kullanılmaktadır [2]: 1-Topoloji Optimizasyonu: Optimizasyonu yapılacak parçanın dış boyutlarında herhangi bir değişiklik olmaksızın, parçanın rijitliğini artıracak şekilde belirli bölgelerden malzeme boşaltılması esasına dayanır. 2-Topografya Optimizasyonu: Şekil optimizasyonunun gelişmiş bir şeklidir. Düzlemsel olarak parçanın topografisinin optimizasyonu yapılır. 3-Şekil Optimizasyonu: Tasarımın şekil değişkenleri ile oynayarak optimizasyonunun yapılmasına dayanır. 4-Boyut Optimizasyonu: Malzeme özellikleri,kesit boyutları ve kalınlarının en uygun parametrelerinin bulunmasını sağlayan optimizasyon yöntemidir. Optimizasyon teknikleri ile koltuk minimum maliyette ve en hafif şekilde üretilir. 6. SONUÇLAR Yapılan çalışmalarda tasarım, sonlu elemanlar optimizasyonları ve simülasyonları ve fiziksel testler bir arada yürütülerek ihtiyaçlara yönelik bir koltuk araç bağlantısı yani ayak tasarımları yapılmıştır. Dizaynı oluşturulan ayakların sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan modeller üzerinden şekil ve boyut optimizasyonları yapılmıştır. Optimizasyon sonucu ortaya çıkan ayaklara 3 nokta emniyet kemer çekme testi explicit analiz(kapalı çözüm) şeklinde uygulanarak testten geçer hale getirilmiştir. Tüm bunlar yapılırken seride üretimde bulunan koltukların fiziksel testleri ile simülasyonları karşılaştırılarak korelâsyonları gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçlarında koltuk ayaklarında yüzde uzamanın kopma sınırını geçmemesi esas alınmıştır. Bu sayede optimum koltuk araç bağlantıları oluşturulup gelecek projeler için yeni dizaynlar doğrulanmıştır. KAYNAKLAR 1. Dassault Systems, Catia Software. 2. HyperWorks, Altair OptiStruct and Radioss Software. 3. Klaus Hessenberger, 2003 Strength Analysis of Seat Belt Anchor age According to ECE R14 and FMVSS, 4th European LSDYNA Users Conference 4. TÜV SÜD, 2011 AB Mevzuatı Çerçevesinde Motorlu Araçların Koltukları İle İlgili Homologasyon Eğitimi 5. ARORA,J.S. 2004. Introduction to Optimum Design. Second Edition. Elsevier Academic Press, San Diego. ISBN: 0-12-064155-0. 728p. 6. Sanayi ve Ticaret Bakanlığı, Motorlu Araçların Emniyet Kemeri Bağlantı Parçaları İle İlgili Tip Onayı Yönetmeliği (76/115/AT). 6