Impact Analysis Of The Stepped Concentric Crash Tubes: The Effect Of The Number Of Tubes

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015
Dünya Sağlık Örgütü'nün verilerine göre her yıl dünya genelinde bir milyonun üzerinde insan trafik kazalarında hayatını kaybetmektedir. 2010 yılına ait verilerde 1.24 milyon insanın hayatını kaybettiği ve 20-30 milyon insanın ölümcül olmayan yaralanmalara maruz kaldığı belirtilmiştir. Bu nedenle yolcu ve sürücülerin güvenliğinin sağlanması ve araçta oluşan hasarın en aza indirilmesi için çok sayıda bilimsel çalışma yapılmıştır. Bu amaçla geliştirilen donanımlardan birisi de otomobillerde tampon ve şase arasına yerleştirilen ezilme kutularıdır. Ezilme kutuları üzerine yapılan çalışmalarda iki önemli parametre ön plana çıkmaktadır. Bunlar tüplerin enerji emme kapasitesi ve pik kuvvetidir. Ezilme kutuları, çarpışma anında şekil değiştirerek ortaya çıkan kinetik enerjinin bir bölümünün yolcuya ve diğer donanımlara iletilmeden soğurulmasını sağlar. Ayrıca kaza anında oluşan kuvvetlerin ilk anda oluşan kuvvet değeri, diğer kuvvet değerlerinden daha yüksektir. Çarpma anında ortaya çıkan en yüksek kuvvet değeri pik kuvveti olarak adlandırılır. Pik kuvveti ile diğer kuvvetler verileri arasındaki farktan dolayı ivmelenme oluşur ve bu ivmelenme yolcu ile sürücülere zarar verebilmektedir. Zararlı etkinin azaltılması için bu farkın azaltılması gerekir. Ezilme kutularının temel amacı maksimum seviyede enerji emilmesinin yanı sıra pik kuvveti değerlerinin düşürülmesidir. Enerji emme kapasitesinin yükseltilmesi ve pik kuvvetinin düşürülmesi birbirini olumsuz etkileyen iki prosestir. Yani bir tüpün bir yandan enerji emme kapasitesi artırılmak istenirken, diğer taraftan pik kuvvetleri istenmeyen şekilde artırılabilir. Bu nedenle en ideal ezilme kutularının tasarımı için farklı kesit geometrilerinde, et kalınlıklarda, boylarda ve farklı malzemelerde çok sayıda model geliştirilmiştir. Araştırmalar deneysel, analitik ve sayısal yöntemler kullanılarak yapılmaktadır. Bu çalışmanın ilk bölümünde ezilme tüpleri ile ilgili kapsamlı bir literatür araştırması yapılmıştır. Ezilme kutuları üzerine yazılan 127 adet bilimsel makaleye ait bilgiler tablolaştırılarak sunulmuştur. Bu çalışmanın amacı ezilme kutuları hakkında çalışma yapmak isteyen araştırmacılara, daha önce yapılmış çalışmaların verilerinin daha kolay incelenebileceği bir kaynak sağlamaktır. Tablonun ilk bölümünde yapılan çalışmalarda kullanılan yöntemler analitik, sayısal ve deneysel olarak sınıflandırılmıştır. İkinci bölümde çarpan kütlenin büyüklüğü ve çarpma hızı bilgileri yer almaktadır. Sonraki bölümde geometri ile ilgili bilgiler yer almaktadır. Kesit geometrileri, et kalınlıkları ve boylarına ait bilgiler tabloda sunulmuştur. Malzeme bilgileri ise bu bölümden sonra gelmektedir. Genellikle alüminyum, çelik ve kompozit malzemeler üzerine yapılan çalışmalar olduğu için bu üç başlıkta sınıflandırma yapılmıştır. Son bölümde ise ezilme tüplerinin konfigürasyon türleri sınıflandırma yapılmıştır. Konfigürasyon tipleri içi boş, köpük dolgulu, tek gözlü ve çok gözlü tüpler olarak sınıflandırılmıştır. Bu tezin ana konusu kademeli ve eş merkezli iç içe ezilme tüplerinin deneysel ve sayısal yöntemler kullanılarak incelenmesidir. Çalışmanın amacı eksenel darbe yüklerine maruz kalan kademeli eş merkezli ezilme tüplerinin enerji emme karakteristiklerinin değerlendirilmesidir. Pik kuvvetleri, iç enerjiler ve ezilme miktarları incelenen ve çeşitli tüp modelleri için karşılaştırmalarda kullanılan karakteristik özelliklerdir. Testler ve doğrulama analizleri için dairesel kesitli ve AL6063 malzemeli tüpler kullanılmıştır. Diğer analiz çalışmalarında tüpler ve köpük malzeme için alüminyum alaşımı tercih edilmiştir. Numunelerin boyutları otomobillerde kullanılan ezilme tüplerine göre oldukça küçük modellerdir. Bunun nedeni boyutları yeterince küçük ezilme tüplerinin dar bölgelere çok sayıda yerleştirilmeye uygun olması ve uçak ve uzay araçları için de kullanılabilmesi için bir araştırma önerisi olarak ileri sürülmesidir. Farklı çaplarda ve boylarda iç içe tüpler dıştan içe doğru artan uzunluklarda yerleştirilmiştir. Yerleştirme yapılırken her bir model için en dıştaki tüpün çapı ve en içteki tüpün boyu sabit tutularak farklı tüp sayılarında çeşitli modeller denenmiştir. Numunelerin toplam ağırlıklarının da aynı kalması için kesit kalınlıkları koşulu sağlayacak şekilde her bir model için değiştirilmiştir. Yani farklı numuneler karşılaştırılırken toplam dış hacim ve ağırlıklarının yaklaşık olarak aynı olmasına dikkat edilmiştir. İlk olarak deneysel çalışmalar ile bu deneysel çalışmaların sayısal yöntemlerle doğrulanması yer almaktadır. Bu çalışma için kademeli eş merkezli iç içe üçlü tüplerden üç adet üretilerek dinamik ve sanki statik hızlarda testleri gerçekleştirilmiştir. Dinamik testler için TÜBİTAK Malzeme Enstitüsü bünyesinde bulunan Instron 8150 Darbe Test Cihazı kullanılmıştır. İki adet numunenin farklı hızlarda dinamik testleri gerçekleştirilmiştir. Üçüncü numune ise İTÜ Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi Kompozit Yapı Laboratuarı'nda bulunan MTS 647 Hidrolik Test Cihazı kullanılarak 2 mm/dak basma testine tabi tutulmuştur. Deney sonuçları ile numunelerin ezilme öncesi ve sonrası görselleri karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Yapılan testlerin sayısal yöntemlerle doğrulanması için LS-DYNA'da açık zamanlı çözücü ile dinamik analizler ve kapalı zamanlı çözücü ile de sanki statik analizler yapılarak deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Deneysel ve sayısal yöntemlerin sonuçları birbiriyle uyumlu olduğu gözlemlenmiş ve sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. İkinci bölümde ise LS DYNA yazılımı kullanılarak farklı tüp sayılarında ve farklı hızlarda dinamik analizler yapılmıştır. İlk olarak ideal mesh kalitesinin belirlenmesi amacıyla farklı mesh kalitelerinde beş farklı model tasarlanarak aynı hızlarda ve darbe yüklerinde analizleri yapılmıştır. Mesh boyutları 0.3x0.3, 0.4x0.4, 0.5x0.5, 0.6x0.6 ve 0.7x0.7 mm olarak belirlenmiştir. Mesh boyutları küçültüldükçe sonuçların birbiriyle uyumlu olduğu ancak analizin gerçekleşme süresinin uzadığı tespit edilmiştir. Sonuçları birbirine benzer olan en küçük iki mesh boyutundan analiz süresi daha kısa olanı seçilmiş ve sonraki tüm analizler buna göre yapılmıştır. Bu bölümde kademeli eş merkezli ve iç içe üçlü, altılı, dokuzlu ve on ikili dört farklı model incelenmiştir. Her model için en geniş tüpün çapı 20 mm ve en uzun tüpün boyu ise 30 mm olarak belirlenmiştir. Et kalınlıkları üçlü tüplerde 1 mm, altılı tüplerde 0.5 mm, dokuzlu tüplerde 0.3 mm ve on ikili tüplerde 0.25 mm olarak belirlenmiştir. Farklı tüp sayılarında tasarımı yapılan dört farklı modelin 50 m/s hız ve 100 gr çarpma yükü etkisinde analiz sonuçları karşılaştırılarak tüp sayısının enerji emme karakteristikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Tüp sayısı artırıldıkça analizin ezilme süresi uzamakta olduğu ve pik kuvvetleri arasındaki farkların azaldığı gözlemlenmiştir. Dört model için daha sonra farklı hızlarda dinamik analizler yapılarak bu sefer çarpma hızın enerji emme karakteristiklerine etkileri incelenmiştir. 50, 60 ve 70 m/s hızlarda 12 adet analiz yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Dört model için ayrı ayrı farklı hızlara ait "kuvvet–zaman" ve "iç enerji-zaman" grafikleri GRAPHER programı kullanılarak çizdirilmiştir. Son bölümde ise, kademeli eş merkezli iç içe tüplerin en iç kısmındaki boşluk, alüminyum köpük malzeme ile doldurularak her bir modelin 50 m/s çarpma hızında analizleri yapılmıştır. Tüpler kabuk olarak modellenirken, köpük malzeme katı model olarak tasarlanmıştır. Her bir modelin kuvvet ve iç enerji değerlerinin zamanla değişimleri aynı grafikler üzerinde çizdirilip karşılaştırılarak köpük dolgulu ezilme tüplerinin içi boş tüplere göre farkları incelenmiştir. Yapılan deneysel ve sayısal çalışmalar ile tablolama çalışmasına ait sonuçlar tezin sonuçlar bölümünde aktarılmıştır. Bu konuda yapılması öngörülen çalışmalar sonuçlar bölümünün ardından listelenmiştir.
In this study, stepped concentric crash tubes with circular AL6063 material are investigated using experimental and numerical methods. Crash tubes are used generally in automotive industry to as a passive safety component. In this study, feasibility of crash tubes in different areas are sought. So, it is designed almost ten times smaller than the conventional car crash tubes. The purpose of this study is to examine the energy absorption characteristics of stepped concentric crash tubes subjected to an axial impact load. The peak forces, internal energy and the total deflection are the selected parameters for the comparison of various crash tubes. The stepped concentric tubes have different lengths and different diameters, while the total mass and volume are kept constant. The area of the impacting object is taken as greater than the internal tube’s cross sectional area to prevent passing the impacting object through the tube hole. First of all, a comprehensive study about articles on crash tubes presented. Almost 127 scientific articles are reviewed and tabulated information according to solution methods, geometry, material properties, impact velocity and impact mass properties. Table is given in Appendices section. In the next part, one selected model with AL6063 material is fabricated and tested at dynamic and quasi-static velocities. Dynamic tests are done by using INSTRON 8150 Drop Test Machine and quasi-static test is done by using MTS 647 Hydraulic Test Machine. Then, results of experiments compared and validated with results of analysis by using LS-DYNA, an engineering simulation software program. In the second part, the effects of the number of the tubes and impact velocity are studied at high dynamic velocities by using LS-DYNA software program. To define optimal mesh quality, results of five different mesh sizes of a sample are investigated and chosen the most proper type of them to use in all analyses. After that, four different models are constituted with 3, 6, 9 and 12 stepped concentric tubes, respectively. All samples are analyzed at three different velocities: 50, 60 and 70 m/s and results are compared with one another. In the third part, stepped concentric crash tubes are modelled with aluminum foam and analyzed at 50 m/s impact velocity. Results of model with foam filled and empty tubes are compared and studied to demonstrate the advantages and disadvantages of foam material. All graphics are established using GRAPHER software program.
Yüksek Lisans
M.Sc.