Kompozit malzemelerden üretilmiş otomobil ön tampon sisteminin tasarımı, bağlantı yerlerinin optimizasyonu ve darbe davranışının belirlenmesi
Design and optimization of the composite automobile frontal bumper system under high speed impact loading
Yazar: SALİM ÇAM
Danışman: PROF. DR. HASAN SOFUOĞLU
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji sönümleme = Energy damping ; Optimizasyon = Optimization ; Tampon sistemleri = Buffer systems ; Yapıştırmalı bağlantılar = Adhesive links

Özet:
Otomobil hibrit ön tampon sistemi üzerine gerçekleştirilen bu çalışma üç aşama barındırmaktadır. İlk aşamada ön tampon sisteminde kullanılan ince cidarlı çelik enerji sönümleyici tüpün hem kalınlık dağılımı hem de geometrik şekli, plastik şekil verme yöntemleri kullanılarak elde edilmiş ve yüksek hızlar altında darbe performansı incelenmiştir. Böylece enerji sönümleyici tüpün darbe performansı, tüpün kalınlık dağılımı ve plastik şekil verme etkisi birlikte değerlendirilerek elde edilmiştir. İkinci aşamada ise, karbon fiber kompozit malzemeden üretilmiş tampon kirişinin tabaka kalınlığı ve yönelimi, çelikten imal edilmiş tampon kirişi referans alınarak, darbeli yükler altında optimize edilmiştir. Çalışmanın üçüncü aşaması, kompozit tampon kirişi ve ince cidarlı çelik enerji sönümleyici tüp arasındaki bağlantıyı düzenleme üzerine yapılan çalışmaları kapsamaktadır. Bu bağlantı bölgesinde yapıştırıcı kullanılmış olup, farklı mekanik özelliklere sahip üç yapıştırıcı, darbe performansları açısından değerlendirilmiştir. Son olarak, seçilen yapıştırıcı ile oluşturulan hibrit ön tampon sisteminin geometrik özellikleri, yine darbe davranışı göz önünde bulundurularak optimize edilmiştir. Çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar, kalınlık dağılımının ve plastik şekil verme işlemlerinin enerji sönümleyici tüpün darbe performansını önemli ölçüde etkilediğini ve bu ikili etki hesaba katılmaksızın elde edilen sonuçların yanıltıcı olduğunu göstermiştir. Tampon kirişinin optimizasyonu için kullanılan karbon fiber kompozit tamponun, en az çelik tampon kirişi kadar iyi darbe performansı sergilemesinin yanında, ağırlığının önemli ölçüde azaldığı belirlenmiştir. Yapıştırıcılar ile gerçekleştirilen çalışmalar ise, yapıştırıcı kalınlığı ve tampon kirişi yarıçapının, hibrit ön tampon sisteminin darbe performansını doğrudan etkilediğini göstermiştir. Böylece, ön tampon sisteminde farklı malzemelerden yapılmış tampon kirişi ve enerji sönümleyici tüpler arasındaki bağlantı bölgelerinde, yapıştırıcıların güvenle kullanılabileceği de gösterilmiş olmuştur.

Abstract:
This study consists of three stages. In the first stage, the thickness of the thin-walled steel energy absorber tube was optimized. Then the study aimed to evaluate the effect of plastic forming history carried out for thickness optimization on crashworthiness performance of the optimized energy absorber subjected to high speed impact to achieve the desired tube form.  Thus, the impact performance of the energy absorber tube was obtained by evaluating the coupled effect of the thickness distribution and the plastic forming processing of the tube. In the second step, the layer thickness and orientation of the bumper beam made of carbon fiber composite material was optimized under the impact loads with reference to the bumper beam made of steel. The third and final phase of the study covers the studies on arranging the connection between the composite bumper beam and the thin-walled steel energy absorber tube. Adhesive bonding was preferred for joining method. Three adhesives with different mechanical properties were evaluated in this joint area and the most suitable one was selected in terms of impact performance. Afterwards, the geometric properties of the selected adhesive were optimized by considering the impact behavior of the frontal bumper system. The results showed that impact performance of the energy absorber was highly affected from the thickness distribution and plastic forming processing. Furthermore, it was observed that neglecting the coupled effect of the thickness distribution and the plastic forming processing yields misleading conclusions. Additionally, it was determined that the carbon fiber composite bumper beam exhibited at least as good impact performance as the steel bumper beam, while its weight was significantly reduced. The studies with adhesives have shown that adhesive thickness and bumper beam radius directly affect the impact performance of the hybrid front bumper system. Thus, it has also been shown that the adhesive bonding can safely be used in the junction areas of the automobile hybrid frontal bumper system.