LS-DYNA ile Jant Darbe Testi Simülasyonu - Figes.com.tr
LS-DYNA ile Jant Darbe Testi Simülasyonu - Figes.com.tr
LS-DYNA ile Jant Darbe Testi Simülasyonu - Figes.com.tr
- No tags were found...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong> İLE JANT DARBE TESTİ SİMÜLASYONU<br />
Osman Koray DEMİR (1)<br />
Ercenk AKTAY (2)<br />
1FİGES A.Ş, Makina Mühendisi<br />
2FİGES A.Ş, Makina Mühendisi<br />
ÖZET<br />
Bu çalışmada, jantları darbe yükü altında test etmek için kullanılan darbe testinin<br />
simülasyonu, <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong> kullanılarak, janta geçirilmiş şişkin bir lastiği de içeren bir model <s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong><br />
yapılmıştır. Çalışmanın amacı, bu tip bir simülasyonu yapabilmek için gerekli metodolojiyi<br />
geliştirmek, <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong> kodunun bu tip bir simülasyonu yapabilmek için uygun olup<br />
olmadığına karar vermek ve darbe yükü altında jant üzerinde oluşan gerilmeleri doğru olarak<br />
belirleyebilmektir. Çalışma sonucunda, şişik lastiğin ve darbe yükünün aynı anda<br />
çözülebilmesi için gerekli yöntem geliştirilmiş, <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong>’nın jant darbe testi simülasyonları<br />
için uygun bir kod olduğuna karar verilmiş, ve darbe altında jant üzerinde oluşan gerilmeler<br />
belirlenmiştir. Hesaplanan sonuçların doğruluğunun kon<strong>tr</strong>ol edilmesi için yapılab<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>cek<br />
duyarlılık analizleri ve gerçek hayatla karşılaştırmalara, bu çalışmanın içinde yer<br />
verilmemiştir.<br />
Anahtar Kelimeler: Kütle Sönümlenmesi, Temas Sertliği, Etkisiz Elemanlar, Kayma<br />
Kilitlenmesi, Düzgün-Dörtylüzlü Elemanlar<br />
IMPACT TEST SIMULATION OF A TIRE RIM WITH <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong><br />
ABSTRACT<br />
In this study, the simulation of the impact test that is used to test the tire rims under impact<br />
loading is performed by using <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong>, with a model including an inflated tire attached to<br />
the rim. The aims of the study are, to develop the methodology required to make such a<br />
study, to decide whether <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong> is a suitable code to make such a simulation and to<br />
determine the s<strong>tr</strong>esses emerging at the rim under impact loading. As a result of the study,<br />
the methodology is developed to solve the inflated tire and the impact together, it is decided<br />
that <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong> is a suitable code to make such a simulation, and the s<strong>tr</strong>esses occurring at<br />
the rim under impact are determined. Sensitivity analyses that can be done to check the<br />
validity of the calculated results and <s<strong>tr</strong>ong>com</s<strong>tr</strong>ong>parisons with the real life are not in the scope of this<br />
study.<br />
Keywords: Mass Damping, Contact Stiffness, Null Elements, Shear Locking, Te<strong>tr</strong>ahedral<br />
Elements<br />
1. Giriş<br />
Birbirine yaylarla bağlı iki kütlenin şişkin durumda bir lastik ve janta yüksek hızda çarptığı<br />
jant darbe testi, jantların darbe yükü altındaki performanslarını ölçmek için kullanılır. Bu<br />
testin simülasyonunu doğru bir şekilde yapmak, jant geliştiric<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>rine büyük yararlar<br />
sağlayabilir.<br />
Aşağıda, <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong> eksplisit çözücüsü <s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong> dinamik olarak yapılan bir jant darbe testi<br />
simülasyonunun ayrıntıları verilmiştir. Sırasıyla önce modelin oluşturulmasından, lastiğin<br />
şişirilmesi için yapılan simülasyondan, kütlelerin çarpması simülasyonundan ve gerilme<br />
1 FİGES A.Ş. ODTÜ Teknokent Gümüş Bloklar 06531 / Ankara-Türkiye<br />
2 FİGES A.Ş. ODTÜ Teknokent Gümüş Bloklar 06531 / Ankara-Türkiye
sonuçlarından bahsedilmiş, daha sonra da sonuçların sağlanması için yapılab<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>ceklere ve<br />
çıkarımlara yer verilmiştir.<br />
2. Modelin Hazırlanması<br />
Şekil 1’de, tamamlanmış jant ve lastik modelinin katı ve kesit görünümleri verilmiştir.<br />
Şekil 1: Lastik ve jant modelinin katı ve kesit görünümleri<br />
Bu modelin oluşturulması için jantın CAD çizimi, lastiğin ise çözüm ağı, malzeme modelleri<br />
ve malzeme özellikleri <s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong> tam bir sonlu elemanlar modeli elde edilmiştir. Burada ortaya çıkan<br />
sorun, jant ve lastik modellerinin birbirleriyle uyumlu modeller olmamasıdır. Şekil 2’de, Şekil<br />
1’deki kesit görünümün bir tarafının dış kaynaklardan elde edildiği hali görülmektedir.<br />
Şekil 2: Solda, tamamlanmış jant modeli, sağda, <s<strong>tr</strong>ong>Jant</s<strong>tr</strong>ong>ın CAD çizimi ve üzerinde değişiklik<br />
yapılmamış lastik modeli
Bu durumu düzeltmek amacıyla lastik modeli belirli oranda küçültülmüştür. Ancak küçültme<br />
işlemi jantın CAD geome<strong>tr</strong>isi baz alınarak yapılmamış, çözüm ağı CAD geome<strong>tr</strong>isini tam<br />
olarak temsil edemeyeceği için, öncelikle jantın çözüm ağı örülmüştür. <s<strong>tr</strong>ong>Jant</s<strong>tr</strong>ong> sonlu elemanlar<br />
modeli Şekil 3’de verilmiştir.<br />
Şekil 3: <s<strong>tr</strong>ong>Jant</s<strong>tr</strong>ong> sonlu elemanlar modeli<br />
Bu ağ ANSYS WORKBENCH kullanılarak örülmüştür ve 25494 düzgün dörtyüzlü eleman<br />
içerir.<br />
<s<strong>tr</strong>ong>Jant</s<strong>tr</strong>ong> sonlu elemanlar modelinin oluşturulması ve lastiğin küçültülmesinden sonra modelin<br />
kesit görüntüsü Şekil 4’deki hali almıştır.<br />
Şekil 4: <s<strong>tr</strong>ong>Jant</s<strong>tr</strong>ong> ve lastik kesit görüntüleri. Solda, <s<strong>tr</strong>ong>Jant</s<strong>tr</strong>ong> CAD modeli ve orjinal lastik modeli;<br />
sağda, jant sonlu elemanlar modeli ve küçültülmüş lastik modeli<br />
3. Lastiği Şişirme Simülasyonu<br />
Lastiği şişirmek için <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong>’nın AIRBAG opsiyonu kullanılmıştır. Bu opsiyon kullanılarak,<br />
herhangi bir kapalı hacmin iç çeperindeki düğüm noktaları belirli bir basınç yükü <s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong><br />
yüklenebilir. Opsiyonun özelliği, hacmin değişimini hesaplayarak, düğüm noktalarına<br />
uyguladığı basınç kuvvetini değiştirebilmesidir.
Lastiğin bir kapalı alan oluşturabilmesi için, alt kısmı, Şekil 5’te gösterilmiş olan etkisiz kabuk<br />
elemanlarla örülmüş ve 260 kPa iç basınç uygulanmıştır. Etkisiz elemanların katılıkları<br />
yoktur. Böylece aslında jant ve lastik tarafından taşınması gereken yüklerin taşınmasına<br />
katkıda bulunmazlar.<br />
Şekil 5: Lastik modeli üzerinde kabuk, katı ve etkisiz elemanlar<br />
Şekil 5’te görüldüğü gibi, lastik modeli katı ve kabuk elemanlardan oluşmaktadır. Bu<br />
elemanlar, birbirlerine değdikleri noktalarda ortak düğüm noktalarını paylaşmakta, diğer bir<br />
deyişle konuşmaktadırlar. Böylece tüm lastik modeli uygulanan iç basınç kuvvetine karşı<br />
ortak bir katılık gösterecektir.<br />
Şişirme simülasyonu boyunca lastik ve jantın temas ettikleri tek bölge, lastiğin katı<br />
elamanları <s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong> jant arasındadır. Lastiğin şişmesinden kaynaklanan ve jantın üzerinde<br />
gerilmeler oluşturan bütün kuvvet, bu temas yüzeyi aracılığı <s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong> janta aktarılacaktır.<br />
Simülasyon boyunca lastik, Şekil 3’de görüleb<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>n, ortasında bulunan 4 delikten<br />
sabitlenmiştir.<br />
Lastik şişirme simülasyonu sönümlenme katsayısı kullanılmadan çalıştırıldığında, modelin<br />
statik denge konumuna yaklaşması, eksplisit çözülen bir model için fazlasıyla uzun zaman<br />
almaktadır. Bu nedenle, yüksek kütle sönümlenmesi kullanılarak modelin kısa sürede statik<br />
denge durumuna gelmesi sağlanmıştır. Şekil 6’da, lastik şişirme simülasyonu boyunca<br />
modelin global enerji eğr<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>ri verilmiştir.
Şekil 6: Lastik şişirme simülasyonunda modelin global enerji eğr<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>ri<br />
Şekil 6’da da görüldüğü gibi, yüksek sönümlenmenin etkisiyle kinetik enerji kısa zamanda<br />
sıfırlanmakta ve genleme enerjisi sabitlenmektedir. Lastik şişirme simülasyonunun ilk ve son<br />
anlarında jant ve lastiğin kesit görüntüsü şekil 7’de verilmiştir.<br />
Şekil 7: Solda şişmeden önce, sağda şişip dengeye geldikten sonra lastik ve jant<br />
Lastik şişirme simülasyonunun sonucunda jantta azami 49 MPa gerilme görülmektedir.<br />
Oluşan gerilmeler Şekil 8’de verilmiştir.
Şekil 8: Lastiğin şişmesi sonucu jantta oluşan gerilmeler<br />
4. <s<strong>tr</strong>ong>Darbe</s<strong>tr</strong>ong> Simülasyonu<br />
<s<strong>tr</strong>ong>Darbe</s<strong>tr</strong>ong> simülasyonu için modele iki adet rijit kütle ve aralarında bulunan, kütlelere bağlı iki<br />
adet yay dahil edilmiştir. <s<strong>tr</strong>ong>Jant</s<strong>tr</strong>ong>, şişirme simülasyonunda olduğu gibi ortasındaki dört delikten<br />
sabitlenmiş durumdadır. <s<strong>tr</strong>ong>Darbe</s<strong>tr</strong>ong> simülasyonu, lastik şişirme simülasyonu kesilmeden,<br />
kütlelerin ilk hızlarla harekete başlaması ve sönümlenme katsayısının sıfırlanması <s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong> başlar.<br />
Kütleler, Şekil 9’da görülebilir.<br />
Şekil 9: <s<strong>tr</strong>ong>Jant</s<strong>tr</strong>ong>-lastik modeline çarpan kütleler
Şekil 9‘da görülen kütlelerden büyük olanı 900 kg, küçük olanı 100 kg kütleye sahiptir.<br />
Kütlelerin ilk hızları 1727 m/s’dir. Modele +z yönünde yerçekimi ivmesi uygulanmıştır.<br />
Kütlelerin arasında iki adet, 1140 N/mm yay sabitine sahip yay bulunmaktadır.<br />
Lastiğin şişirilmesi ve ardından gelen çarpışma sonucu, modelin global enerji grafiği<br />
aşağıdaki gibi olmaktadır. (Şekil 10)<br />
Şekil 10: Şişirme ve <s<strong>tr</strong>ong>Darbe</s<strong>tr</strong>ong> fazları sonunda modelin global enerji eğr<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>ri<br />
Şekil 10‘un başındaki, kinetik enerjinin ani artışına kadar olan bölüm, lastik şişirme<br />
simülasyonuna aittir. Genleme ve sönümlenme enerj<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>rinin sabitlenmesi ve kinetik enerjinin<br />
sıfırlanması, yani sistemin statik denge durumuna gelmesinden sonra kütleler harekete<br />
başlamakta ve bu yüzden kinetik enerjide ani artış görülmektedir. Yerçekimi ivmesinden<br />
dolayı kütlelerin kinetik enerjisi önce artmakta, daha sonra kütlelerin lastiğin ve jantın<br />
etkisiyle yavaşlamasın sonucu azalmaktadır. Kütlelerin ilk kinetik enerj<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>ri ve yerçekimi<br />
ivmesinden dolayı kazandıkları enerji, lastik ve jantın deformasyonu <s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong> birlikke genleme<br />
enerjisine dönüşmektedir. Genleme enerjisinin tavan, kinetik enerjinin taban yaptığı 0.1<br />
ms’de, kütlelerin hızları sıfırlanmış ve jant en yüksek deformasyon ve gerilme değerlerine<br />
ulaşmıştır.<br />
Çarpışma öncesinde ve sonrasında modelin durumu, Şekil 11 ve 12 yardımıyla<br />
karşılaştırılabilir. Şekil 12’nin ortasından geçen iki çizgi, jantların deliklerinden geçecek<br />
şekilde, karşılaştırmayı kolaylaştırmaları için çizilmiştir.
Şekil 11: Çarpışmadan önce ve sonra jant-lastik modelinin görünümü<br />
Şekil 12: Çarpışmadan önce ve sonra jant-lastik modelinin kesit görünümü. Çizg<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>r, jantların<br />
deliklerinden geçecek şekilde, karşılaştırmayı kolaylaştırmaları için çizilmiştir.<br />
Bu deformasyonlar sonucunda, jantta Şekil 13 ve 14’de görülen gerilmeler oluşmaktadır.
Şekil 13: Çarpışma sonucu jantta görülen gerilmeler<br />
Şekil 14: Çarpışma sonucu jantta görülen gerilmeler<br />
5. Sonuçların Sağlanması için Yapılab<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>cekler<br />
Bu çalışmanın kapsamına dahil olmasa da, elde ed<s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong>n sonuçların çeşitli şekillerde kon<strong>tr</strong>ol<br />
edilmesi, simülasyonun incelikleri, zayıf ve güçlü noktaları hakkında çok daha fazla bilgi<br />
sahibi olunmasını sağlar.<br />
Öncelikle, jantın sonlu elemanlar modelinde kullanılan düzgün dörtyüzlü elemanların bükme<br />
yükü altında iyi performans göstermedikleri ve kilitlenerek normalden daha katı
davranabildikleri bilinmektedir. Bu gerçeğe ve simüasyon boyunca bükme yüklerinin etkin<br />
olduğu bilinmesine rağmen, jantın geome<strong>tr</strong>isinin çok karmaşık olması nedeniyle altıyüzlü<br />
elemanlarla çözüm ağı örülmesi seçeneğinden kaçınılmıştır. Daha basitleştirilmiş bir jant<br />
modeli sayesinde hazırlanacak altıyüzlü elemanlardan oluşan bir çözüm ağı, sonuçların<br />
güvenilirliği açısından çok şey söyleyebilir.<br />
Simülasyonun sadece lastik şişirme kısmı, implisit bir kodla statik olarak çözülüp sonuçlar<br />
karşılaştırılmalıdır.<br />
Hem lastik hem de jantım çözüm ağında yapılacak sıklaştırmalarla, sonuçların çözüm ağı<br />
sıklığına ne kadar bağlı olduğu kon<strong>tr</strong>ol edilmelidir.<br />
Sonuçlar gerçek hayatta yapılan deney sonuçları <s<strong>tr</strong>ong>ile</s<strong>tr</strong>ong> karşılaştırılmalıdır.<br />
7. Sonuç<br />
Bu çalışmada, <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong> kullanılarak jant darbe testinin simülasyonu yapılmıştır.<br />
Simülasyon, birbirine bağlı iki aşamadan oluşmaktadır. Simülasyonun başında, lastiğin iç<br />
yüzeyine uygulanan basınç altında model, yüksek sönümlenme katsayısı yardımıyla<br />
dengeye getirilmektedir. Sistem statik dengeye geldikten sonra sönümlenme katsayısı<br />
sıfırlanmakta ve bu aşamaya kadar hareketsiz bulunan iki kütle harekete geçmektedir.<br />
Lstiğin iç yüzeyine uygulanan basınç, özel bir yöntemle uygulanmıştır ve lastiğin hacim<br />
değişimlerini hesaplayarak basınç değerini günceller.<br />
Simülasyonların eksik noktası, sonuçların doğrulanması için herhangi bir çalışma<br />
yapılmamış olmasıdır. Bu amaçla, simülasyonun sadece lastik şişirme kısmı implisit olarak<br />
çüzülüp sonuçlar karşılaştırılabilir, jant SE modeli altıyüzlü elemanlarla oluşturularak<br />
sonuçlar karşılaştırılabilir, duyarlılık analizleri yapılabilir ve sonuçlar gerçek hayatla<br />
karşılaştırılabilir.<br />
Yapılan simülasyonlar sonucunda, <s<strong>tr</strong>ong>LS</s<strong>tr</strong>ong>-<s<strong>tr</strong>ong>DYNA</s<strong>tr</strong>ong>’nın bu tür bir simülasyonu yapmak için uygun<br />
bir kod olduğu sonucuna varılmıştır.