Eksenel Darbe Yükü Uygulanan İçiçe Tüplerin Çarpışma Ve Ezilme Davranışının Sayısal Ve Deneysel Olarak İncelenmesi

Abstract

Araçların (uçak, araba, raylı sistem araçları, gemi, vs.) darbelere dayanımı çok büyük önem teşkil etmektedir. Bu yüzden, insan hayatını korumak amacıyla bu konuda katı standartlar getirilmektedir. Daha iyi bir performans için, araçların yolcuları koruma kapasitelerini artırma yönündeki tasarımlar bir evrim geçirmektedir. Tasarım zamanını azaltmak, araçların ve bileşenlerinin çarpma ve ezilme tasarım standartlarını sağladığından emin olmak için çarpışma testleri genellikle sayısal olarak bilgisayarlarda yapılmaktadır. Elde edilen veriler yeni tasarımların geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Sayısal simülasyonların bilgisayar ortamında yapılabilmesi her defasında fiziksel bir model üretme zorluğunu ortadan kaldırmakta, zaman ve maliyet açısından çok daha hızlı olmaktadır. Bu simülasyon süreci, gerçek bir araç prototipi üretilmeden önce en iyileştirmesinin yapılabilmesini sağlamaktadır. Ezilme veya çarpışma esnasında en önemli konu kinetik enerjinin nasıl emileceğidir. Bu amaçla tasarlanan ezilme kutuları birçok alanda kullanılmaktadır. Ezilme kutuları, araç çarpışmalarında ortaya çıkan büyük değerlerdeki kinetik enerjiyi plastik enerjiye dönüştürebilme kabiliyetlerine haizdir. Bu yüzden, ezilme kutularının çarpışma sonrası ezilme davranışları konusuna ilgi sürekli devam etmektedir. Ezilen bir kutuda, ilk çarpmada meydana gelen pik kuvveti sonrakilerden çok daha fazladır. Çoğu zaman kaza esnasında, kutular araçlarda ve bileşenlerinde en fazla ivmelenmeye neden olan bu pik kuvvetlerini emmek için kullanılırlar. Aslında enerji emen ideal bir sönümleme yapısı tüm darbe süresince üniform bir yavaşlatma sağlamalıdır. Sürekli olmasa da kademeli olarak enerji yutma seviyeleri değiştirilen bir ezilme kutusu tasarımı ile pik kuvveti azaltarak mümkün olduğunca üniform bir yavaşlamayı sağlamak burada önerilen çalışmanın motivasyonunu oluşturmuştur. Ezilme kutusu önce ilk darbeyi şiddetli bir pik kuvveti oluşturmadan emmeli, daha sonra geri kalan enerjiyi yutabilmek için kademeli olarak deforme olmalıdır. Belirlenen bu amaç doğrultusunda, iç içe geçen farklı uzunluktaki tüplerden oluşan yeni bir ezilme kutusu düşünülmektedir. İçteki en uzun tüp, ilk darbeyi emecek ve sonra diğer tüplerle birlikte deforme olacaktır. Yeni tüpün aynı boylarda olan iç içe tüplerden daha hafif olacağı ve tüplerin yerleşiminin, geometrik parametrelerinin sıralamasının önemli olacağı düşünülmektedir. Bu yüzden, daha önce hiç çalışılmamış olan, iç içe geçmiş farklı uzunluk ve geometrideki tüplerin deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Öncelikle, ezilme kutusunda kullanılacak olan metal malzemelerin çekme deneyleri farklı gerinim değişim hızlarında yapılarak gerilme-gerinim diyagramları elde edilmiştir. Çeşitli ezilme kutusu tasarımları geliştirilerek ve elde edilen malzeme test verileri kullanılarak sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Doğrusal olmayan açık (explicit) sonlu eleman yazılımı (LS-DYNA/Explicit) ve kapalı (implicit) sonlu eleman yazılımları (LS-DYNA/Implicit) kullanılarak tasarlanan ezilme kutularının çarpma sonrası ezilme davranışları analiz edilerek incelenmiştir. Farklı metallerin ve geometrilerin birleşimi olarak tasarlanan ezilme kutusu yapısının enerji emme kapasitesi geometri ve malzeme özelliklerine bağlıdır. Bu yüzden farklı boy ve kesitlerde iç içe geçen tüplerden oluşan farklı bir ezilme kutusu analizlere tabi tutulmuştur. Malzeme, cidar kalınlığı, flanş genişliği, çarpma hızı, iç içe tüplerin yerleşimi, uzunluğu ve çarpma hızı parametreleri için en iyileştirme yapılacaktır. Literatürde farklı uzunluklardaki tüplerin iç içe geçmesi ile meydana gelen ezilme kutuları ve parametrik analizleri mevcut olmadığından, bu tip tüplerin maksimum deformasyonları ve enerji emme kapasitelerinin analizinin yapılması ve değerlendirilmesi bu alanda önemli bir katkı sağlayacaktır. Sayısal modelleme çalışmaları sonucunda en iyi çarpışma kutusu tasarımları belirlenmiştir. Seçilen ezilme kutularının deneysel simülasyonları yapılarak analiz çalışmaları doğrulanmış. Bu duruma göre deneysel süreçler için farklı malzeme ve geometride ezilme kutuları üretttirilmiştir. Kutular, dinamik ve statik ezilme deneylerinde incelenmiştir. Testlerden elde edilen sonuçlar sayısal analiz sonuçları ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Test çalışmaları neticesinde birtakım gözlemler yapılmıştır. Alüminyum 6063 ve Çelik AISI 304’ten üretilmiş numuneler ile deneyler gerçeklenmiştir. İç içe üç daireden oluşan AL 6063 tüpler, iç içe üç daireden oluşan AISI 304 çelik tüpler üretilmiştir. Ayrıca dairesel kesitlere ek olarak kare kesitli AL 6063 ve AISI 304 malzemeden iç içe tüpler üretilmiştir. Bunlara ek olarak içten dışa kare-daire-kare şeklinde alüminyum-çelik-alüminyum malzemeden sistem, kare-daire-kare şeklinde çelik-çelik-çelik malzemeden sistem, daire kesit alanlı alüminyum-çelik-alüminyum malzemeden sistem üretimi yapılmıştır. Bütün bu sistemler 2.69, 3.28, 3.77 ve 4.22 m/s gibi hızlarda çarpma testine tabi tutulmuştur. Kare kesitli tüplerde kenarlardan yırtılmalar gözlemlenmiş, bunların önüne geçilmesi için en dıştaki tüp duvar kalınlığını artırılabileceği, en dıştaki tüpün kenar uzunluklarının düşürülebileceği, en dışta kare kesit bulundurmama ve ya köşelerin yuvarlatılması gibi öneriler sunulmuştur. Alüminyum tüplerde gerçekleşen bu durumların benzeri çeliklerde de gözlemlenmiştir. Çelik tüplerde de köşelerin yuvarlatılmaması benzer sonuçlar doğurmuş ve köşelerde yırtılmalar meydana gelmiştir. Tüp çapları analizlerle global burkulma olmayacak şekilde seçildiğinden deneylerde de analizlerle uyumlu olarak global burkulmalar gözlemlenmemiştir. Lokal burkulmalar ile katlanmalar düzgün şekilde yaşanmıştır. Bu durum, yırtılma olan en dıştaki kare tüp içeren tasarımlar için içteki tüplerde de yaşanmıştır. Dairesel kesit alanlı tüplerde katlanmalar lokal burkulmalar şeklinde olsa da geometrik mükemmel olmayan durumlardan ötürü farklı katlanma şekilleri gözlemlenmiştir. Ancak farklı katlanma mekanizmaları benzer pik kuvvet değerleri üretmiştir. Farklı malzemeden tüplerin birarada olduğu sistemler kuvvet davranışı açısından verimli sistemler üretebilmiş ancak çelik içeren bu sistemlerin düşük ağırlık verimi de gözönüne alınmıştır. Sanki statik ezme testleri optimum geometri kararından sonra yapılmıştır. Dairesel kesit alanlı AL 6063 tüpler için 4 farklı statik ezme testi 2 mm/dakika hızlarda yürütülmüş ve kuvvet-zaman, kuvvet-ezilme eğrileri oluşturulmuştur. Bu grafikler, dinamik ezme test sonuçları ile karşılaştırılmış ve uyum gözlemlenmiştir. Gerinim hızlarının alüminyumda çok etkili olmadığı bu karşılaştırmalar ile görülmüştür. Bu doğrultuda yapılan analiz, deney ve optimum tasarım için deney ve analiz uyumunun gözlemlenmesi çalışması tezin yapısını oluşturmaktadır. Analiz çalışmalarında Abaqus ve LS-DYNA sonlu eleman programları ve çözücüleri kullanılmıştır. Genel olarak benzer fikir verselerde programların farklı malzeme verileri ve değme durumlarında farklı kuvvet davranışlarını çıktı olarak verebilmektedir. Yine dikkat çeken bir unsur olarak, köpek kemiğ şeklinde oluşturulan ve çekme testi yapılan malzeme gerilme-gerinim eğrilerinin programlara girdi olarak verilmesi sonrasında deneylerle yeterli uyum gözlemlenmemiş ve statik ezme testlerine göre gerilme gerinim eğrilerinin modifiye edilmesi gerekmiştir. İncelendiğinde ezme hareketinde emze, çekme, burkulma birlikte olduğundan sadee çekme testinin yeterli olmaycağı görülmüştür. Sonuç olarak optimum geometri olarak içiçe tüplerde kullanılmak üzere alüminyum 6063 malzemeden dairesel sistem tercih edilmiştir. Bunun yanısıra çelik ve alüminyum sistemlerin birlikte olduğu durumlarda pik kuvvetinin davranışının çarpma kuvvet verimi açısından çok iyi sonuçlar verebildiği görülmüş ancak sistem ağırlığı açısından sadece alüminyum sistem tercih edilmiştir.

The crush and crashworthiness of a vehicle (airplane, automotive, ship, etc.) is today of great importance. Strict standards need to be adhered to in the industry, in particular to protect human life. In the aim for better performance, the design of vehicles has also evolved to improve protection capabilities. In order to decrease design times and ensure safe design standards regarding the crush and crashworthiness of vehicles, and their components, virtual tests are usually performed in numerical simulations. The virtual crush and crash test data are used throughout the entire development of a new design. These numerical simulations produce results without building a physical model, and can be performed relatively quickly and inexpensively. This permits optimization of the design before an actual prototype of the vehicle has to be built. The most important phenomenon in a crush or crash situation is to absorb the kinetic energy. Crash tubes are designed for that purpose and are used in many practical situations. They have the ability to absorb and convert large amounts of kinetic energy into plastic strain energy under severe loading conditions. Therefore, there has been continued interest on the axial crushing and crashing behavior of tubes. When a tube fails under progressive buckling, the initial peak force is much greater than the subsequent peak. In many instances, these tubes are used to absorb energy in cars and the high force peaks lead to high acceleration on the vehicle occupants during an accident/impact event. An ideal energy-absorbing device should therefore cause a uniform deceleration during the entire stroke. This ideal structure would absorb the shock first and then deform under progressive buckling to absorb the energy. Thus we considered a new geometric crash tube model which would be nested with different lengths. The longest tube would absorb the kinetic energy first, and they could act together with the other tube(s) after strong impact effect. This new tube would be lighter than bi tubular crash tubes and alignment of the tubes, geometric parameters would be important. Thus, we planned to investigate this event by experimentally and numerically, which was never investigated in te open literature before. First of all, material tensile tests at elevated strain rates were carried out. For a constant thickness, different (cross-section, length, constant, etc.) specimens were produced. After producing specimens, some of them will be chosen for the experiment, and new specimens for experiments were produced. The tubes were be quasi-statically and dynamically crushed. The explicit non-linear finite element code (LS-DYNA, Abaqus were used to predict the response of the crash tubes subjected to axial crushing, and will be compared with experiments. The energy absorption capacity of a sheet metal structure depends on geometric and material parameters. Thus, it was investigated a different crash tube geometry which consist of nested tubes with different lengths. Important parameters such as arrangement, material, sheet thickness, flange width, spot-weld spacing and impact velocity will be optimized. There were no studies for these kind of crash tubes in the literature. So, it would be interesting to observe final deformations and energy absorption characteristics of these kind of nested crash tubes. Optimum nested crash tubes were realized by numerical studies. These results were compared and validated by experiments.