Zırhlı amfibik araçlarda süspansiyon sistemi alt kontrol kolu için ağırlık ve şekil optimizasyonu
Weight and shape optimization of armored amphibious vehicle suspension system lower control arm
Yazar: UĞUR ÖZHAN DEMLİ
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:
Kontrol kolları tekerlekli araçların süspansiyon sistemlerinde bulunan en önemli ana alt parçalarındandır. Tekerlekli zırhlı araçlarda da yaygın olarak kullanılan çift salıncaklı süspansiyon sistemine ait ana parçalardan birisi olan alt kontrol kolu, bu çalışma kapsamında ele alınmıştır. Özellikle amfibik (hem karada hem suda hareket kabiliyetine sahip olan) özellikte olan araçlarda dikkat edilmesi gereken en önemli unsur araç ağırlığının minimumda tutulmasıdır. Bundan ötürü de kontrol kolu gibi büyük hacim ve kütleye sahip parçalar için, boyut, şekil ve ağırlık optimizasyon çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışma kapsamında da; süspansiyon alt kontrol kolu için oluşturulan sonlu elemanlar modelinin araç üstü testler ile doğrulanması ardından, vekil modeller yardımı ile ağırlık eniyilemesi yapılmıştır. Birkaç aşamada gerçekleştirilen eniyileme çalışması için, öncelikli olarak sonlu elemanlar modeli hazırlanmıştır. Hazırlanan modelin doğruluğunu test etme amaçlı, 8x8 tekerlekli araç alt kontrol kolu üzerinden gerinim ölçer yardımı ile gerinim verileri alınmış olup, benzer sınır koşulları ANSYS Workbench üzerinde ilgili parça üzerine uygulanmıştır. ANSYS yazılımından elde edilen sonuçlar ve deneysel veriler karşılaştırılarak kurulan model kabul edilebilir sapmalarla doğrulanmıştır. Devamında ise, belirlenen 4 adet tasarım değişkeni ile eniyileme probleminin çözümüne geçilmiştir. Bunun için de çok sayıda değişkeni birlikte inceleyebilen, hesapsal maliyeti düşük ve güvenirliliği yüksek olan vekil modeller kullanılmıştır. Vekil model oluşturmak için gerekli veri noktaları belirlenirken iki farklı yöntem seçilmiştir. Bunlar, merkezi kompozit tasarım (CCD) ve Latin hiperküp deney örnekleme (LHS) tasarımıdır. İki model için de hata oranları kontrolü yapılması ardından, vekil model bütünü yöntemiyle ayrı ayrı yanıt yüzeyler oluşturulmuş ve eniyileme işlemleri gerçekleştirilerek her iki model için de sonuçlar elde edilmiştir. Karşılaştırılan sonuçlar neticesinde, merkezi kompozit tasarım kullanılarak oluşturulan vekil model ile, parça ağırlığının diğer yönteme göre daha fazla azaltılabileceği gözlemlenmiştir. Seçilen aday nokta parçaya uygulandığında, alt kontrol kolunun başlangıç ağırlığı olan 25,2 kg'ın, %13,3 oranında hafifleyerek 21,8 kg'a düşümü gerçekleşmiştir. Bu da 8x8 tekerlekli bir araç için toplamda yaklaşık 27 kg hafifleme anlamına gelmektedir.
Gelinen son aşamada, araç hareketi esnasında süspansiyonun maruz kalabileceği, taşıt üreticileri tarafından da tercih edilen sanki statik yük senaryolarından iki tanesi seçilmiştir. Bunlar boyuna darbe (çukura düşme) ve yanal darbe (kaldırıma çarpma) senaryolarıdır. Ek olarak, kriko ile teker değişim senaryosu üçüncü bir doğrulama adımı olarak eklenmiştir. Optimize edilen parça, ilgili yükler altında ANSYS Workbench yardımı ile analiz edilmiştir. Elde edilen gerilme sonuçlarının parça malzemesinin akma mukavemeti altında kaldığı ve çukura düşme senaryosunda 1,46, kaldırıma çarpma senaryosunda 1,08 ve kriko yüklemesi senaryosunda ise 3,17 güvenlik katsayısı ile doğrulama adımlarının tamamladığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
The control arms are one of the main sub-parts of the wheeled vehicle's suspension system. Within the scope of this study, the lower control arm, one of the main parts of double wishbone system, which is also widely used in the armored wheeled vehicles, is discussed. The crucial factor to be considered is to keep the vehicle weight at a minimum especially for the amphibious vehicles which are able to operate in both the land and water. For this reason, size, shape and weight optimization studies are performed for the parts with a large volume and mass such as the control arm. Also, within the scope of this study, after the validation of the finite element analysis of suspension lower control arm with on-vehicle tests, weight optimization study is performed by using surrogate models. For the optimization study that is carried out a couple of steps, finite element model is prepared initially. In order to verify the created model, strain values are collected with strain-gauge from the lower control arm of the 8x8 wheeled vehicle and the similar boundary conditions are applied to the related part on ANSYS Workbench. The ANSYS analysis results and experimental test data are compared and the created FE model are validated by acceptable deviations. Subsequently, the solution step of the optimization problem is initiated with determination of four design variables.  In order to complete this step, the surrogate models which are able to examine several variable at a time, low computational cost and high reliability, are used. Two different design of experiments are used in training data generation for surrogate models: central composite design (CCD) and Latin hypercube sampling (LHS) design. The optimization process are performed and the results are obtained for the both models. In the consequence of the compared results, it has been observed that the part weight can be reduced more by using the surrogate model creating with CCD. When the selected candidate point is applied to the part, the initial weight value which is 25,2 kg, is reduced to 21,8 kg with decreasing the ratio of %13,3. This means that 27 kg weight reduction in total approximately for a 8x8 vehicle.
In the last step, two quasi-static load scenarios which may be exposed on the suspension while the vehicle is in motion and preferred by vehicle manufacturers, are selected. These are longitudinal impact (pothole strike) and lateral impact (pavement crushing). In addition to these, wheel change scenario by using lifting jack is added as a third validation step. Optimized lower control arm is analysed under the related forces in the ANSYS Workbench. It has been observed that obtained stress values are below the yield strength of the material and it is verified with the safety factor of 1,46 for pothole strike scenario, 1,08 for pavement crushing and 3,17 for the wheel change scenario.