OTEKON 08 4. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 01 04 Haziran 2008, BURSA Bir Araç Gövde Kesitinin Fiziksel Test ve Simülasyon ile Karşılaştırmalı Devrilme Analizi Ahmet Avcı *, Namık Kılıç * * OTOKAR A.Ş., Ar-Ge Direktörlüğü, BDM Takımı, 54580, Sakarya, ahavci@otokar.com.tr * OTOKAR A.Ş., Ar-Ge Direktörlüğü, BDM Takımı, 54580, Sakarya, nkilic@otokar.com.tr ÖZET Yapılan istatistik çalışmaları, devrilme kazalarının otobüslerde yolcu ve mürettebat güvenliği açısından en ciddi tehlikelerden biri olduğunu göstermektedir. Bu çalışmada ECE-R66 yönetmeliği doğrultusunda iskelet örme gövdeli araçlarda devrilme performansı explicit dinamik sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmiştir. Simulasyonlarda kullanılacak metodoloji belirlenirken literatürden elde edilen bilgiler doğrultusunda oluşturulan sayısal analiz modeli, yapılan fiziksel testlerden elde edilen ölçümlerle doğrulanmış ve/veya güncellenmiştir. Araç devrilme analizlerinde Ls- Dyna kodu çözücü olarak kullanılmış ve farklı malzeme modelleri irdelenmiştir. Johnson-Cook malzeme modeli özellikle yüksek deformasyon hızlarında, çarpışma veya devrilme analizlerinde sıkça kullanılmaktadır. Bu çalışmada sadece plastik deformasyon değeri dikkate alınan basitleştirilmiş bir Johnson-Cook malzeme modeli üstünde çalışılarak, test ve analiz modelleri doğrulanmış ve uygun malzememodeli parametreleri bulunmuştur. Oluşturulan devrilme analizi metodolojisi Otokar bünyesinde tasarımı devam eden otobüs modellirinde uygulanarak, ECE-R66 direktifi doğrultusunda hedeflenen devrilme dayanımı performansları geliştirilmektedir. Anahtar kelimeler: Devrilme, LS DYNA, Gövde, Otobüs, ECE R66 Verification of Rollover Simulation on Vehicle Body Section ABSTRACT Statistical research shows that, rollover accidents of busses are one of major threats to crew and occupant safety. In this study, rollover performance of skelethon body buses were examined using explicit dynamic finite element method. In order to determine the methodology of simulation, numeric model derived with the konwledge of literature survey verified with physical test results. A wide range of material formulations available in Ls-Dyna code. *MAT_SIMPLIFIED_JOHNSON_COOK material model used as base and modified to achieve correlation with test results. The developed simulation methodology is being used in predicting the rollover performance during design stage of bus skheleton. Keywords: Rollover, LS DYNA, Superstructure, Coach, ECE R66 1. GİRİŞ AB ülkelerinde 1987'den beri yürürlükte olan ECE R66 regülasyonunun gerektirdiği bir zorunluluk olan devrilme performansı, 2001/85/AT'e uygun olarak üretilmiş araçlara uygulanmaktadır. Bu regülasyona tabi olan araçlar Şekil-1'de görülen platformdan aracın bir yanına doğru devrilerek yan direklerin, araç içerisinde oluşturulacak olan yaşam mahalline girmemesini öngörür. Şekil-1. Devrilme Platformu 1
Günümüz bilgisayarlarının donanım ve yazılımlarının gelişmesi ile LS DYNA gibi eksplisit dinamik kodlar içeren yazılımlar vasıtasıyla devrilme performansı simülasyonları gerçeklenebilmektedir. Bu amaçla doğrudan geometri üzerinden sonlu elemanlar modeli oluşturulan araç, doğrusal olmayan malzeme bilgileri, sınır şartları v.b. gibi değerlerin oluşturulmasıyla analize hazır hale gelebilmektedir. Oluşacak başlangıç kinetik enerjisinin hesabı, ağırlık merkezi değişimi-zaman grafiklerinin çıkarılması, açısal hız hesapları ve yere çarpma açısı gibi parametreleri MSC Adams programında elde edilmiştir. Araç kesitinin geometrisi Catia V5 ortamında oluşturulmuştur (Şekil-2). Aracın üzerinde bulunduğu platformun 800 mm'lik zeminden olan yükseklik ölçüsü ECE R66 yönetmeliğinde belirtildiği üzere uygulanmıştır. 2. FİZİKSEL DEVRİLME TESTİ Genel olarak Otokar bünyesinde tasarlanan yolcu otobüslerinin iskelet yapısını temsil eden bir gövde kesidi devrilerek, yapının davranışı incelenmiştir. (Şekil-3). Şekil-3. Gövde kesiti fiziksel devrilme testi Şekil-2. Gövde kesiti CAD datası (Catia V5) Bu çalışmada, gövdenin tamamı yerine aracın orta bölgesinden alınan bir kesitinin geometrisi devrilerek fiziksel test tamamlanmıştır. Bu testten elde edilen hızlı kamera görüntüleri üzerinden alınan plastik şekil değiştirme sonuçlarına göre aynı sınır şartlarında LS DYNA'daki farklı malzeme modelleri kullanılarak simülasyonlar yapılmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre parametrik çalışmaya yatkın olması, en hızlı ve daha doğru sonuçlar vermesi sebepleriyle *MAT_SIMPLIFIED_JOHNSON_COOK malzeme modelinin kullanımına karar verilmiştir. Bu malzeme modelini ifade eden aşağıdaki denklemde, A akma gerilmesini, B parametresi plastik bölgedeki davranışı etkileyen skala faktörünü ve n katsayısı (Sertleştirme üs katsayısı) ise efektif plastik gerinmenin üssünü ifade etmektedir. n σ y = ( A + B. ε p ).(1 + c.lnε*) (1) Yukarıdaki denklemde, Johnson ve Cook tarafından gerilmenin akışı açıklanmaktadır. Denklemde geçen c ve ε* değerleri strain rate'e bağlı parametreler olup, yüksek gerinme hızlarında malzemenin davranışlarını temsil etmek üzere kullanılmaktadır. Bu çalışmada gerinme hızına bağlı katsayılar ihmal edilmiş olup, malzeme modelinde A, B ve n parametreleri kullanılmıştır [1]. Fiziksel devrilme testinde, genel araç ağırlığının kullanılan gövde kesidine düşen kütleyi temsil eden yaklaşık 800kg'lık ağırlık eklenmiştir. Bu sayede gövde kesiti devrilmesi sonrasında beklenen plastik deformasyon komple aracın devrilmesiyle oluşacak deformasyona yakın bir değerde olacaktır. Araç gövde kesitinin, ECE R66 regülasyonunun gerektirdiği üzere belli bir yükseklikten forklift vasıtasıyla kendi ağırlığı altında (yaklaşık 5 /s) ile bir yana devrilmesi sağlanmıştır. Platform ile gövde kesidi arasında dönmeyi sağlayacak şekilde menteşeler yerleştirilmiştir. Saniyede 250 kare görüntü alabilen hızlı kamera ile devrilme testi kaydedilmiştir. Daha sonra bu görüntülerdeki çarpma anı ve maksimum elastik-plastik deformasyon sonuçları simülasyondaki aynı zaman aralığı için karşılaştırılmıştır. Şekil-4.'de gövde kesitinin yere çarpma anında test ve simulasyon modelleri görülmektedir. Şekil-4. t=0 anında fiziksel test - simülasyon modelleri 2
3. DEVRİLME SİMÜLASYONU Gövde kesitinin ağ modeli MSC Sofy programında, malzeme bilgileri, sınır şartları ise Ls-Prepost programı kullanılarak oluşturulmuştur. Araç gövde kesitinde ve platformda toplam 97570 eleman (ort. 15mm uzunlukta eksplisit üçgen ve dörtgen kabuk elemanlar) ve 96382 düğüm noktası bulunmaktadır Hesap süresinden kazanmak için, gövde kesiti zemine değmeden hemen önceki pozisyondan analize başlamıştır. Araç gövdesi deforme olabilir, zemin ve platform ise rijit kabul edilmiştir. Deforme olabilen gövdede Belytschko-Tsay tipi (indirgenmiş entegrasyonlu Belytschko-Lin-Tsay formülasyonu) eleman kullanılarak hızlı ve hassas çözüm elde edilebilmektedir. Ağırlık merkezinin ve atalet tensörlerinin bulunması MSC Patran programında uygun malzeme ve geometrik modelleme yapıldıktan sonra hesaplanmıştır. Aracı devirmek için gerekli başlangıç kinetik enerjsi hesapları MSC Adams programında yapılmıştır. Şekil-5'te Adams programında devrilmiş gövde kesiti, Şekil-6'da çarpma anındaki başlangıç kinetik enerjisi, Şekil-7'de ise ağırlık merkezi yükseklik değişimi-zaman grafiği yer almaktadır. Şekil-7. Ağırlık merkezi yükseklik değişimi Gövde kesitinin MSC Adams programında devrilmesiyle başlangıç kinetik enerjisi, açısal hız, ağırlık merkezinin yer değiştirmesi bilgileri elde edilmiştir. E = m g h (2) Yukarıdaki enerji denkleminde araç ağırlığı, g yerçekimi ivmesi ve h Adams analizinde alınan değerler kullanılarak E (maksimum başlangıç kinetik enerjisi) 7,424 kj elde edilmiştir. Denge pozisyonunu geçtiği andan itibaren serbest düşme yapacak gövde kesiti için maksimum başlangıç kinetik enerjisi değeri aşağıdaki denklemde (3) yerine konursa elde edilecek 3,1 rad/s'lik açısal hız, gövde kesiti için yere çarpma anında uygulanacak değerdir. E 2 = I w (3) Şekil-5. MSC Adams programında devrilme simülasyonu Şekil-8. Ağırlık merkezi pozisyonu Şekil-6. Maksimum başlangıç kinetik enerjisi Şekil-8'de ağırlık merkezinin başlangıç pozizyonu (mavi renk), stabil olmayan durum başlangıcı (ağırlık merkezinin dönme eksenini geçmeye başladığı pozisyon, sarı renk) ve zemine değdiği pozisyon (kırmızı renk) gösterilmiştir. Bu çalışmada deforme olabilir gövde için *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY (PLP) ve *MAT_SIMPLIFIED_JOHNSON_COOK (SJC) 3
malzeme modelleri kullanılarak test sonuçları ile doğrulama çalışması yapılmıştır. PLP malzeme modeli gerek malzeme parametrelerinin kolay elde edilebilir olması (Akma, kopma gerilmeleri ve kopma gerinmesine ihtiyaç duyması), gerekse hassas çözümler vermesi sebebiyle literatürde çarpışma analizlerinde sıklıkla kullanılmaktadır. SJC malzeme modeli ise hem hassas çözümler verme, hem parametrik çalışmaya müsade etme, hem de hızlı çözümü ile tercih sebebi olmuştur. Kesit gövdede kullanılan malzeme 350GD+Z kodlu galvanize kaplı çeliktir. Malzemenin çekme-basma testlerinden elde edilen akma ve kopma gerilmeleri ile kopma gerinmesi değerlerinden PLP malzeme parametreleri tanımlanmış ve LS DYNA'da eksplisit dinamik analizi yapılmıştır. yöntemiyle parametreleri elde edilmiş SJC malzeme modeline sahip analiz koşturulmuş ve test-simülasyon sonuçları Şekil-11'de gösterilmiştir. Şekil-11. SJC malzemesi ile test-simülasyon sonucu Şekil-9. SJC malzeme modeli için eğri uydurma SJC malzeme modeline ait A, B ve n parametreleri, malzemenin çekme-basma testlerinden elde edilen değerlere göre (akma, kopma gerilmesi ve kopma gerinmesi) eğri uydurma yöntemiyle hesaplanmıştır. (Şekil-9), 4. SİMÜLASYON SONUÇLARI PLP malzemesine ait modelin test-simülasyon sonuçlarının karşılaştırması Şekil-10'da gösterilmiştir. Yukarıdaki iki simülasyon kendi arasında karşılaştırıldığında, PLP malzemesi kullanıldığında oluşan elastik-plastik deformasyon miktarı SJC malzemesi kullanıldığında oluşan deformasyona göre daha az meydana gelmiştir. Bu da PLP malzemesinin daha düşük gerinme verdiğini, daha az deformasyona sebep olduğu ve malzemenin daha rijit davrandığını göstermektedir. PLP ve SJC malzeme modelleri karşılaştırıldığında, referans olarak devrilen taraftaki direkten ve zeminden alınan iki düğüm noktası arasındaki düşey mesafe değişimi-zaman grafiği Şekil-12'de görülmektedir. SJC malzeme modelinin kullanıldığı simülasyonda fazladan yaklaşık 52mm düşey yönlü hareket oluşmuştur. Şekil-12. PLP ve SJC malzemeleri karşılaştırması Şekil-10. PLP malzemesi ile test-simülasyon sonucu Benzer şekilde yapılan ikinci çalışmada, eğri uydurma Bu çalışmada ilk olarak B parametresinin 200, 300 ve 400 olması durumunda (n parametresinin 0,2 olarak alınmıştır) 3 farklı analiz yapılmış ve aşağıdaki şekillerde (Şekil-13, 14ve 15'de) gösterilmiştir. B parametresinin azaltılması sonucu, gövde kesitinde daha fazla deformasyon meydana geldiği açıkça görülmektedir [2]. Yapılan diğer çalışmada ise n parametresinin 0,1, 0,2 ve 0,4 alınması durumlarında (B parametresi 330 4
alınarak) test-simülasyon sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada n parametresinin arttırılması durumunda daha yüksek deformasyonun meydana geldiği tespit edilmiştir (Şekil-16, 17, 18). Şekil-16. B=330 n=0,1 test-simülasyon sonucu Şekil-13. B=200 n=0,2 test-simülasyon sonucu Şekil-17. B=330 n=0,2 test-simülasyon sonucu Şekil-14. B=300 n=0,2 test-simülasyon sonucu Şekil-18. B=330 n=0,4 test-simülasyon sonucu Şekil-15. B=400 n=0,2 test-simülasyon sonucu 5
5. SONUÇ B ve n değerlerinin modifiye edilerek optimum parametrelerin elde edilmesi için ek çalışmalar yapılmış ve Şekil-19'dan de görüleceği üzere fiziksel testsimülasyon korelasyonu başarıyla tamamlanmıştır. Şekil-19. Optimum parametrelerle elde edilen testsimülasyon sonucu Yapılan çalışmalar sonucunda 350GD+Z malzemesine ait SJC parametreleri çıkarılmış olup, Otokar bünyesinde üretilen araçların ECE R66 devrilme simülasyonu için malzeme bilgisi olarak araç gövdesinde kullanılmıştır (Şekil-20). Şekil-20. Komple Otobüs Modelinde ECE R66 simülasyon sonucu KAYNAKLAR 1. Livermore Software Technology Corporation (Version 971) 2007 LS DYNA keyword user's manual, Vol. 1, pp. 1748-1749 2. Sharma, K., Bhasin, V., Singh R. K., 2000, ABI Simulation of the material Property Estimation, Reactor Safety Division, BARC Trombay, Mumba 6
7