Ağır ticari bir aracın radyatör braketinin D-optimal tasarım yöntemiyle kuvvet sensörüne dönüştürülmesi
Transforming the radiator bracket of a heavy commercial vehicle into the loadcell based on the D-optimal design
Yazar: MUSTAFA KUTLU
Danışman: DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Deneysel analiz = Experimental analysis ; Deneysel yöntemler = Experimental methods ; Kuvvet dönüştürücüsü = Force transducer ; Optimum tasarım = Optimum design ; Paket programlar = Packaged softwares ; Sensörler = Sensors ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Veri işleme = Data processing ; Veri toplama = Data collection ; Yapısal analiz = Structural analysis

Özet:
Bu çalışmada ağır ticari bir aracın radyatör braketinin optimum tasarım yöntemi kullanılarak kuvvet sensörüne dönüştürülmesi amaçlanmıştır. Parçaların maruz kaldığı kuvvetlerin bilinmesi ürün geliştirme sürecinin en önemli ihtiyaçlarından birisidir. Bunun için piyasada ticari olarak geliştirilmiş kuvvet sensörleri bulunsa da parçanın kuvvet sensörü ile değiştirilerek çalışma koşullarında ölçümlerin alınması her zaman mümkün olmamaktadır. Ayrıca parçanın sistemden çıkarılıp yerine bu tarz kuvvet sensörlerinin takılması sistemin rijitlik matrisini ve yük akışını değiştirdiği için bu şekilde hesaplanan kuvvetler de gerçekte olan kuvvetlerden bir miktar farklılık göstermektedir.
Otomotiv sektöründe artan rekabet, yasal olarak getirilen karbon emisyonu ve ağırlık kısıtlamaları, müşterilerin düşük maliyet ve yüksek performans beklentileri ve belki de son yılların en yüksek seviyesinde olan elektrikli araç yönelimleri araç projelerinde çalışan mühendislerdeki yeterince dayanıklı aynı zamanda olabildiğince de hafif parçalar oluşturma baskısını giderek artırmaktadır. Durum böyle iken parçalarının maruz kaldığı kuvvetleri net bir şekilde hesaplayabilen firmalar rakipleri karşısında çok önemli bir avantaj elde etmektedir.
Kuvvet tanımlama yöntemleri bölümünde parçanın maruz kaldığı kuvvetlerin yine parça üzerinden hesaplanması için literatürde yapılan çalışmalara değinilmiştir. Bu çalışmalar içerisinden optimum tasarım tekniği baz alınarak Matlab programında sonlu eleman analizi ile elde edilen sonuçlardan model üzerindeki optimum strain-gage pozisyonlarını hesaplayabilen parametrik bir kod yazılmıştır. Geliştirilen algoritmanın ve kodun doğrulaması basit numuneler üzerinden yapıldıktan sonra radyatör braketi üzerinde yöntem uygulanmıştır.
Braket, analiz ile belirlenen pozisyonlardan strain-gage'ler ile enstrümante edildikten sonra fikstüre bağlanıp hidrolik pistonlarla bilinen kuvvetler uygulanarak strain ölçümleri alınmıştır. Toplanan veriler işlenip kullanıma hazır hale getirildikten sonra analiz ile belirlenen hassasiyet matrisi kullanılarak strain ölçümlerinden kuvvet verileri hesaplanmıştır.
Ölçülen kuvvetler ile hesaplanan kuvvetler karşılaştırıldığında X ve Z eksenleri için hatanın %1'in altında, Y ekseni için ise hatanın %5'in altında kaldığı görülmüştür.
Sonuç olarak optimum tasarım yöntemi ile radyatör braketi üzerindeki optimum strain-gage pozisyonları belirlenmiş ve yapılan testlerle de kuvvetlerin ne derece hassas hesaplanabildiği başarıyla gösterilmiştir. Bu çalışmada geliştirilen yöntem ve Matlab kodunun geçerliliği sadece bu parça ile sınırlı kalmayacak olup elastik bölgede yapısal olarak zorlanan ve süperpozisyon prensibinin geçerli olduğu tüm parçalarda kullanılabilecektir.

Abstract:
In this study, it is aimed to convert the radiator bracket of a heavy commercial vehicle to a load cell using the optimum design method. Knowing the forces to which the parts are exposed is one of the most important needs of the product development process. Although commercially available load cells are available on the market for such tasks, it is not always possible to take measurements in the working conditions by replacing the part with a load cell. Also, since the part is removed from the system and replaced with such load cell, the calculated forces vary somewhat from the actual forces because the system changes the stiffness matrix and the load path.
Increasing competition in the automotive sector, legally mandated carbon emissions and weight constraints, customers' low cost and high performance expectations, and perhaps even the highest levels of electric vehicle trends of recent years, are increasingly pushing on the engineers for working on vehicle projects to produce parts that are durable enough as well as lightweight as little as possible. In such a situation, companies that can accurately calculate the forces that their parts are exposed have a very important advantage over their competitors.
In the section of force identification methods, the studies done in the literature about calculation of the forces over part's itself have been referred. Based on the optimum design technique in these studies, a parametric code is written in Matlab program to calculate the optimal strain-gage positions on the model from the results obtained by the finite element analysis. After validation of the algorithm and code is done through simple specimens, the method is applied on the radiator bracket.
The bracket was instrumented with strain-gages from the positions determined by the analysis, and then strain measurements were taken by assembling the bracket to the fixture and applying known forces with hydraulic pistons. After the recorded data are processed and ready for use, the force data is calculated from the strain measurements using the sensitivity matrix determined by the analysis.
When the measured forces and the calculated forces are compared, X and Z axis errors were found to be below 1% and Y axis error was found to be below 5%.
As a result, optimum strain-gage positions on the radiator bracket were determined with the optimum design method and it was successfully demonstrated how precisely the forces can be calculated with the tests made. The method developed in this work and the validity of the Matlab code will not be confined to this part alone and can be used in all structurally enforced parts where the superposition principle is inherent and the loadings are in the elastic region.