Punta kaynaklarının yorulma ömrü hesaplarında kullanılan sonlu eleman modellerinin karşılaştırılması

Abstract

Kaynak, otomotiv sektöründe çok kullanılan bir birleştirme yöntemidir. Özellikle punta kaynağı, seri üretime yatkınlığı nedeniyle çok fazla tercih edilmektedir. Punta kaynaklarının yorulma ömrünün doğru olarak hesaplanması, otomotiv sektöründe tasarım ve üretim departmanlarının karşılaştığı en güç problemlerden bir tanesidir. Bu nedenle üreticiler daima daha emniyetli dolayısıyla da daha pahalı ve ağır parçalar üretmek zorunda kalırlar. Yorulma ömrünün gerçekçi olarak hesaplanabilmesi, yorulmadan kaynaklanan hasarların önlenmesinde ve maliyet konusunda büyük artılar getirmektedir. Yorulma ömrü hesaplamaları için teorik yaklaşımlardan, deneysel çalışmalardan ya da sonlu elemanlar analizlerinden yararlanılabilir. Teorik yaklaşımların uygulama zorluğu, deneysel çalışmaların da maliyetinin yüksek ve sürecinin uzun olmasından dolayı sonlu elemanlar yöntemi, gelişen bilgisayar teknolojisi ile beraber son zamanlarda tercih edilen bir çözüm şekli olmuştur. Literatürde punta kaynağı için birçok sonlu elemanlar modelleme tekniği bulunmaktadır. Ancak, hangisinin daha iyi ve gerçekçi sonuç verdiği bilinmemektedir. Bu çalışmada, literatürde kullanılan sonlu eleman modellerinin birbirleriyle ve punta deney sonuçlarıyla karşılaştırılması yapılmıştır. Bunun için öncelikle geniş bir literatür çalışması yapılıp, mevcut kaynak modellemeleri ve değerlendirmenin yapılacağı uygun parça tipleri araştırılmıştır. İncelenecek kaynak modelleri belirlendikten sonra bu yöntemlerin uygulanacağı, 1.0, 1.5 ve 2.0 mm kalınlığında 2 farklı profil tipi seçilmiştir. Profillerin bilgisayar destekli tasarım modellerinin oluşturulmasında I-DEAS yazılımı kullanılmıştır. Daha sonra HyperMesh yazılımı kullanılarak profillerin sonlu elemanlar modeli hazırlanıp, NASTRAN programında çözdürme işlemi yapılmıştır. Sonuçlar yine HyperMesh programı yardımıyla görüntülenmiştir. Buraya kadar, sadece bilgisayar destekli mühendislik yöntemleri kullanılarak, statik analiz sonuçlarına göre kaynak modelleri kendi içlerinde modelleme tekniği ve profil tipine göre karşılaştırılmışım İkinci aşama, yorulma deneyleri ve yorulma analizleridir. Daha önceden seçilen profil tipleri Ford Otosan Takım Kalıp Atölyesi'nde imal ettirilmiş, İTÜ Mukavemet Laboratuvarında burulma ve eğilme testleri yapılarak yorulma ömürleri bulunmuştur. Aynı sınır şartları ve yüklemeler sanal ortamda da kullanılarak Ford Motor şirketi tarafından geliştirilmiş olan FLAP yazılımı yardımıyla profillerin yorulma analizleri yapılmıştır. Son olarak, test sonuçları ile her bir kaynak modelleme tekniği için tekrarlanan analiz sonuçları karşılaştırılarak gerçeğe daha yakın sonuçlar veren kaynak modelleme tekniği belirlenmeye çalışılmıştır.

Welding is one of the mostly used joining techniques in automotive industry. Especially, spot welding is being widely used, because this technique is very suitable for serial production. The estimation of the fatigue life of the spot welds is one of the most difficult problems faced by the design and production departments in automotive industry. Because of this reason, manufacturers always have to produce "over design" parts, which are heavier and more expensive. A precise estimation of fatigue life brings many advantages; such as avoiding the damage caused by fatigue and lower production costs. For the estimation of fatigue life, theoretical or experimental works can be done, but also a Finite Element Analysis can be used to estimate the fatigue life of a part. The difficulty of the theoretical work and high cost of the experimental works makes the Finite Element Analysis more attractive with the improving computer technology. In literature, there are many models used to create a spot weld for Finite Element Analyses, but it is not known which model predicts better results. In this work, the comparison of the spot weld models used in literature was done, and also the experimental results were used for this comparison. For this, a literature survey was made, and current spot weld models and proper test structures were investigated. After choosing the spot weld models to be investigated, two kind of structures with 1.0, 1.5 and 2.0 mm thickness were used to apply these techniques in Finite Element Analyses. The computer Aided Design of the structures was made with I-DEAS software. After that, separate Finite Element models of these structures for each type of spot weld models were created using HyperMesh software, and NASTRAN software was used to perform the Finite Element Analyses of these models. Post processing was also made with HyperMesh software to interpret the results. Up to this point, linear static analyses were used to compare the spot weld models regarding to their modeling techniques and profile types. Second stage is the fatigue experiments and the fatigue analyses. The chosen structures were manufactured in Ford Otosan Tool&Die workshop, and their fatigue life was determined in ITU Durability Laboratories using torsion and bending tests. Same boundary and loading conditions of the tests were used to estimate the fatigue life of the structures using the FLAP software developed by Ford Motor Company. Finally, test results and the analysis results for each type of spot weld models were compared to find, which welding model predicts more accurate results.