Farklı tasarım opsiyonlarının diyaframlı darbe sönümleyici yapıların enerji soğurma performansına etkilerinin incelenmesi ve eniyilenmesi
Studying and optimizing the effects of different design options on the performance of crash absorbers with diaphragms
Yazar: SABRİ ALPER KESKİN
Danışman: PROF. DR. ERDEM ACAR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Darbe sönümleyiciler, taşıt kazalarında sırasında ortaya çıkan enerjiyi plastik deformasyona uğrayarak sönümleyen ve yolcu güvenliğini sağlayan yapılardır. Bu yapılar tren ve otomobillerin ön ve arka uçlarında konumlandırılırlar. Bu çalışma kapsamında, içerisinde diyaframlar bulunan bir darbe sönümleyicinin performansı çeşitli tasarım değişiklikleriyle iyileştirilmiştir.

Bu değişiklikler, sırasıyla darbe sönümleyicinin dış duvar ve diyafram kalınlıklarının değiştirilmesi, diyafram yerleşiminin değiştirilmesi ve darbe sönümleyiciye bir konik açı verilmesi olarak yapılmıştır. Başlangıçtaki pik ezilme kuvveti (IPCF) minimize etme ve özgül enerji sönümlemesini (SEA) maksimize etme, bu eniyileme problemlerinde amaç fonksiyonları olarak seçilmiştir.

Çarpma analizleri, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Sonlu eleman modeli, literatürdeki bir başka çalışma temel alınarak oluşturulmuş ve doğrulanmıştır. Sonlu eleman analizleri LS-DYNA sonlu eleman yazılım paketi kullanılarak yapılmıştır.

Eniyileme problemleri, vekil model tabanlı eniyileme yaklaşımıyla çözülmüştür. Her eniyileme probleminde doğrulanmış sonlu eleman modeli üzerinden deney noktaları oluşturulmuş, oluşturulan deney noktaları üzerinden tüm yöntemler kullanılarak vekil modeller yaratılmıştır. Bu vekil modellerin doğrulukları, yine doğrulanmış sonlu eleman modeli kullanılarak her eniyileme modeli için ayrı ayrı oluşturulmuş test noktalarıyla ölçülmüştür. Tüm vekil modeller için ayrı ayrı optimum tasarım değişkenleri bulunmuş ve bulunan tasarım değişkenleri sonlu eleman modellerine işlenerek analiz edilmiştir. Optimum tasarım değişkenlerinin işlendiği sonlu eleman analizi sonuçları arasından en iyi olan sonuç, ilgili eniyileme çalışmasının optimum sonucu olarak belirlenmiştir.

Yapılan çalışmalar sonucunda, özgül enerji sönümlemesi (SEA) %69,4 yükseltilmiş, başlangıçtaki pik ezilme kuvveti (IPCF) %24,7 azaltılmıştır.

SEA sonuçları için dış duvar ve diyafram kalınlıklarının eniyilemesi %59,2 SEA artışı sağlarken, diyafram yerleşiminin eniyilemesi bunun üzerine %7,7'lik SEA artışıyla sonuçlanmıştır. Konik açının eniyilemesi %2,5 daha fazla SEA artışı sağlamıştır.

Dış duvar ve diyafram kalınlıklarının eniyilemesi, IPCF'de %23,4 düşüş sağlarken, diyafram yerleşiminin eniyilemesi bunun üzerine %1,3 düşüş sağlamıştır. Konik açının eniyilemesi IPCF'de daha fazla düşüşe neden olmamıştır.

Abstract:
Crash absorbers are structures that are used to ensure passenger safety by absorbing the energy generated during vehicular accidents through controlled plastic deformation. These structures are commonly used in front and rear ends of trains and automobiles. In this study, the performance of a crash absorber with diaphragms was improved through various design changes.

These changes include changing the outer wall and diaphragm thickness of the crash absorber, changing the diaphragm placement and changing the crash absorber geometry by defining a taper angle. In optimization problems, initial peak crash force (IPCF) was minimized, and specific energy absorption (SEA) was maximized as objective functions.

Crash analyzes were done using finite element method. The finite element model was created and validated based on another study in the literature. Finite element analyzes were performed using LS-DYNA finite element software package.

Optimization problems were solved with a surrogate model based optimization approach. In each optimization problem, sampling points were created using the validated finite element model, and surrogate models were created using all surrogate model methods mentioned above over the created sampling points. The accuracies of these surrogate models were measured with test points created separately for each optimization model using the validated finite element model. Optimum design variables were obtained for all surrogate models and the optimum results were verified with the finite element model. The best result obtained from these finite element analysis results was determined as the optimum result of the study.

As a result of the studies, the specific energy absorption (SEA) was increased by 69.4% and the initial peak crushing force (IPCF) was reduced by 24.7%.
Optimal tube and diaphragm dimensioning resulted in 59.2% increase, optimum diaphragm placement resulted in 7.7% more increase, and tapering resulted 2.5% further increase in SEA.

Similarly, optimal tube and diaphragm dimensioning resulted in 23.4% reduction, optimum diaphragm placement resulted in 1.3% further reduction in IPCF, whereas optimizing taper angle did not result in an extra IPCF reduction.