Chladni deneyi desenlerinden esinlenilmiş ince cidarlı darbe sönümleyicilerin çarpışma performansının iyileştirilmesi

Abstract

İnce cidarlı yapılar otomotiv sektöründe pasif güvenlik elemanları olarak yoğun bir şekilde tercih edilmektedir. Bu yapılardan araç üzerinde hafiflik sağlamasının yanında yüksek darbe enerjisi sönümleme yeteneği de sergilemesi beklenilmektedir. Bu beklentileri sağlayabilmek adına otomotiv sektörü araştırmacıları yeni kesit geometrileri ve malzemeler üzerinde araştırmalar yapmaktadır. Özellikle son yirmi yıl içerisinde geliştirilmiş yüksek mukavemetli çelikler, alüminyum alaşımları, kompozitler, polimerler ve köpük bazlı yapıları malzeme alanındaki yenilikler olarak söyleyebiliriz. Kesitgeometrileri geliştirilmesi üzerine çalışmalarda ise doğa önemli bir esin kaynağı olmuştur. Ernst Florens Friedrich Chladni (1756 - 1827), fizik ve müzik alanında önemli çalışmalar yapmış on sekiz ve on dokuzuncu yüzyıl içerisinde yaşam sürmüş önemli bir bilim insanıdır. Chladni, çalışmalarında ince metal plakalar üzerine kum taneleri serpmiş ve yanında keman çalarak titreşimler üretmiştir. Kum tanelerinin frekans değişimlerine bağlı olarak metal plaka üzerinde geometrik desenler ortaya koyduğunu gözlemlemiştir. Bu çalışma kapsamında, Chladni figürlerinden esinlenilerek tasarımları yapılmış olan 17farklı dairesel dış duvara sahip geometrinin ve enerji sönümleme kapasiteleri, en büyük çarpışma kuvveti ve çarpışma kuvveti verimi sonlu elemanlar metoduyla incelenmiştir. Chladni’den esinlenilerek tasarlanan 1 mm et kalınlıklı geometrilere AA6061 malzeme ataması yapılmıştır. Hazırlanan sonlu elemanlar modelinde hareketli bir üst duvar, darbe emici yapı ve sabit bir alt duvar bulunmaktadır. Hareketli rijit duvarın hızı 5,75 m/s olarak belirlendikten sonra çarpışmanın 60 mm boyunca devam etmesi sağlanmıştır. Sonlu elemanlar analizlerinin doğruluğunun arttırılması için eleman yakınsama analizleri yapılmış olup, en uygun eleman boyutu olarak 0,8 mm belirlenmiştir. Tasarımları yapılan17 farklı kesit geometrisinin çarpışma performansları sonlu elemanlar analizleri sonucunda elde edilmiştir. Yapılan tasarımlar arasından en iyi darbe emicinin seçilebilmesi için çok kriterli bir karar verme yöntemi olan COPRAS yöntemi kullanılmıştır. COPRAS yöntemi ile 23,78 kJ’lık enerji sönümleme, 44,69 kN’luk maksimum çarpışma kuvveti ve 0,887 çarpışma kuvveti verimine sahip olan model alternatifler içinden en iyisi olarak seçilmiştir. En iyi alternatif olarak seçilen geometriye GWO optimizasyonu uygulanmıştır. Optimizasyon sonucunda %6,6 seviyelerinde enerji emilim değerlerinde iyileştirme sağlanmıştır.

Thin-walled structures are widely preferred as passive safety elements in the automotive industry. These structures are expected to provide lightness on the vehicle as well asexhibit high impact energy absorption ability. In order to meet these expectations,automotive industry researchers are conducting research on new cross-section geometriesand materials. We can say that high-strength steels, aluminum alloys, composites,polymers and foam-based structures developed especially in the last twenty years areinnovations in the field of materials. Nature has been an important source of inspirationin studies on the development of section geometries. Ernst Florens Friedrich Chladni (1756 - 1827) was an important scientist who lived in the eighteenth and nineteenthcenturies and carried out important studies in the fields of physics and music. In his works, Chladni sprinkled grains of sand on thin metal plates and produced vibrations by playingthe violin next to him. He observed that sand grains formed geometric patterns on themetal plate depending on frequency changes. Within the scope of this study, the geometryof 17 different circular outer walls, inspired by Chladni figures, and their energy absorption capacities, maximum collision force and collision force efficiency wereexamined with the finite element method. AA6061 material assignment was made for 1mm wall thickness geometries designed inspired by Chladni. The prepared finite elementmodel includes a movable upper wall, shock absorbing structure and a fixed lower wall.After the speed of the moving rigid wall was determined as 5.75 m/s, the collision wasallowed to continue for 60 mm. Element convergence analyzes were performed toincrease the accuracy of finite element analyses, and 0.8 mm was determined as the mostappropriate element size. The crash performances of 17 different cross-section geometrieswere obtained as a result of finite element analyses. The COPRAS method, a multi-criteria decision-making method, was used to select the best shock absorber among thedesigns. With the COPRAS method, the model with 23.78 kJ energy absorption, 44.69kN maximum collision force and 0.887 collision force efficiency was chosen as the bestamong the alternatives. GWO optimization was applied to the geometry selected as thebest alternative. As a result of the optimization, an improvement of 6.6% in energyabsorption values was achieved.