Taşıt ön bölge tasarım parametrelerinin yaya bacak koruma performansına etkileri
Vehicle front end design parameters effects on pedestrian leg protection performance
Yazar: HASAN ALİ SOLAK
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGEN AKALIN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Araç güvenliği, günümüzdeki araç kullanım oranları düşünüldüğü zaman çok önemlidir. Kaza olmasını engelleyen sistemlere aktif güvenlik denir. Kaza olduktan sonra hasarı en aza indirmeye yarayan sistemler ve uygulamalara da pasif güvenlik denir. Pasif güvenlik konusunda araç üzerindeki çalışmalar uzun zaman önce başlamış olsa da, teknolojinin de gelişmesi ile birlikte aktif güvenlik sistemlerinde de büyük bir artış olmuştur. Yeni araçların satılabilmesi için geçmeleri gereken bir takım güvenlik testleri mevcuttur. Bunun yanında araç üreticilerinin, müşterilerine ürettikleri araçların ne kadar güvenli olduklarının göstermelerini sağlayan Euro NCAP gibi bağımsız kuruluşlar da vardır. Uzun zamandan beri araçların güvenlik sistem ve donanımları hep araç içindeki yolcuları korumaya yönelik olarak geliştirilmektedir. 2000 li yılların başından beri araç dışındaki özellikle yaya-araç kazalarında yayaların yaralanmalarını azaltmak için bir takım testler ve yönetmelikler oluşturuldu ve geliştirilmeye devam edilmektedir.
Teknolojinin gelişmesi ile birlikte araçların, yaya güvenliği performansını ölçmek için yapılan testlerde kullanılan test çarpma aygıtlarında geliştirme ve değişikliler yapılmaktadır. Euro NCAP tarafından 2000'li yılların başından günümüze kadar, araç onayları için yönetmelik testlerinde de 2005 yılından buyana kullanılan TRL bacak çarpma aygıtı değiştirilmiştir. Euro NCAP 2014 yılından itibaren yeni çarpma aygıtını kullanılmaya başlamış ve yönetmelik testlerinde ise 2017 yılından itibaren kullanılacaktır.
Bu çalışma yeni çarpma aygıtı ile yaya güvenliği testlerinde başarılı olmak için araç ön tasarım parametrelerinin nasıl olması gerektiğini anlamak için yapılmıştır. Bu amaçla Ford Courier aracının, fiziksel test ile korelasyonu yapılmış sonlu elemanlar bilgisayar modeli üzerinden basitleştirilmiş parametrik model oluşturulmuştur. Parametrik model üzerinden araç ön tasarım parametrelerini değiştirerek deney tasarım analizi yapılmıştır. Tasarım parametrelerini belirlerken diğer araç sınıflarının araç ön tasarımları incelenmiştir. 5 farklı tasarım parametresi seçilip, 3 tasarım parametresi için 3 seviye, diğer 2 tasarım parametresi içinse 2 seviye belirlenmiştir. Bu parametreler ile toplam 108 farklı deney tasarım durumu için Latin hypercube yöntemi kullanılarak 16'lık bir deney tasarım matrisi oluşturuldu. Bu 16 farklı deney tasarım durumu için parametrik model oluşturulup sonuçları incelenmiştir. Flex-PLI çarpma aygıtı üzerinden 3 tane diz çapraz bağ uzaması ve 4 farklı yerden kaval(tibia) kemiği eğilme momenti değeri okunmaktadır. 16 durumun sonuçları kullanılarak Modefrontier programında katkı analizi yapıldı. Her bir tasarım parametresinin sonuçlara etkisi incelendi. Deney tasarım sonuçlarının matematik modeli oluşturuldu. MCL diz bağ uzaması ve kaval kemiği moment değerini minimize etmek için tasarım parametrelerinin hangi seviyede olması gerektiği, matematik model yardımı ile bulundu. Matematik model tarafından bulunan tasarım parametre seviyeleri parametrik model ile koşturuldu. Parametrik model sonuçları matematik model ile aynı sonuçları verdi. Bu sayede matematik model doğrulandı.
Bu çalışmanın en önemli yanlarından bir tanesi de tüm araç sonlu elemanlar modelinden, Flex-PLI çarpma aygıtı için basitleştirilmiş parametrik bilgisayar modeli oluşturma metodunun belirlenmiş olmasıdır. Bu metot sayesinde tüm araç modelinde yapılması zor tasarım değişiklikleri, parametrik model üzerinde yapılıp Flex-PLI üzerindeki etkileri kontrol edilebilmektedir. Bu sayede hem zaman hem de bilgisayar modeli oluşturup koşturma maliyetlerinde büyük oranda bir azalma olmuştur. Bir araç tasarımının erken fazlarında basitleştirilmiş model ile farklı tasarımlar yapılarak, Flex-PLI çarpma aygıtına uygun araç ön tasarım parametreleri belirlenebilmektedir.

Abstract:
Vehicle Safety is very important parameter, considering rate of daily vehicle usage. Active vehicle safety is systems and applications that help to reduce accidents. Passive vehicle safety is system and hardware, which protect occupants and pedestrians from physical injury. Vehicle safety has been improved in last decades. Although road accidents are slightly decreased with these improvements, pedestrians remain the most vulnerable road users. 
Euro NCAP measurement methods for assessing the performance of vehicles regarding the protection of pedestrians, children (3.5 kg), adults (4.5 kg), the head form, and the lower and upper legforms are considered. The lower legform impactor to bumper test is used to clarify the pedestrians' leg injuries in collision with vehicles. There were two kinds of lower legform impactors that are used for pedestrian safety tests. First lower legform impactor developed by the Transport Research Laboratory (TRL) and had used until 2014 by Euro NCAP. The Flex Pedestrian Legform Impactor (PLI) started to be used in the pedestrian protection test of Euro NCAP from 2014. This is because Flex-PLI is more comparable to a human leg model and more biofidelic than the TRL legform impactor. The ground reference level is set to 75 mm for FLEX-PLI and initial velocity impactor is 40 kph (11.1 m/s). The Anterior Cruciate Ligament (ACL), Posterior Cruciate Ligament (PCL) and Medial Collateral Ligament (MCL) elongations are used to predict the knee injuries for FLEX-PLI. The tibia injuries are determined from Tibia Bending Moment (TBM). 
According the Euro NCAP pedestrian protocol maximum total score that you can get from FLEX-PLI is 6 points for all grid locations in the lower legform test zone. One of the grid points which is marking on the vehicle taking max 1 point. Half of the 1point comes from tibia bending moment and other half of the 1point comes from MCL, ACL and PCL elongation.
CAE modelling is an effective method for designing vehicles and developing solutions. In last decade, CAE model quality improvements increased with high computer technologies. Therefore, accurate finite element modelling is available with high CAE model quality. These improvements also help to reduce development tests with reducing prototype cost. 
In the present study, vehicle front-end design parameters effects on pedestrian leg protection performance to achieve Flex-PLI injury targets was studied using a parametric CAE model. First full vehicle CAE model is correlated via using a physical impact test. When the MCL, A/PCL and TBM results were shown as function of time, times at which maximum values observed for the MCL, A/PCL and TBM results are similar to physical test. Also maximum values are very close each other except of MCL elongation. CAE pulse graphs behavior is similar to those of the physical test results. Therefore, CAE to test correlation is considered satisfactory.
Parameterized front-end structures have been used to perform a Design of Experiments (DoE) analysis in the literature. Simplified parametric model created by using correlated full vehicle CAE model. Both CAE models consist the Flex-PLI GTR Model (Release Version 2.1) developed by HUMANETICS. The CAE analysis and physical test were conducted according to the Euro NCAP pedestrian testing protocol for MCL, A/PCL and TBM results. Parametric CAE model consists of three region of the front end and 1-d beam type spring elements. Lower portion of the parametric model contains lowerleg stiffener part and lower end of the fascia. Mid portion consists of energy absorption part and center grills while upper portion consists of fascia reinforcement and hood edge. Beam type spring elements are used to model dynamic stiffness of the front-end structure. Lowerleg and hood edge parts are adjustable to present different front-end configuration while stiffness of parts can be changed by scaling spring properties separately. To reflect the local deformation and contact characteristics on vehicle front-end in impactor to vehicle impact, parts are modelled by deformable shell elements to provide a deformable contact surface. To define spring properties, impactor to bumper contact surface divided to 3 different regions. For each region, a contact interface is defined between impactor and bumper fascia. Then the contact force is recorded as a function of time, also the displacement of 3 regions is recorded as a function of time too. By using these two curves, force-displacement curve is determined. The force displacement curve is used property of each spring model.  
A pi diagram is used to briefly define the purpose of the development. In this study parametric CAE model is defined as the system of the Pi diagram whereas input (signal) is Flex-PLI impactor crash. The ACL, PCL, MCL elongations, and TBM are determined as output (response) of the system. The control factors are levels of lower, mid and upper region of the fascia stiffness, levels of the vertical direction of the lower fascia and level of longitudinal direction of the hood edge. To perform a design of experiments, a DoE matrix (16 cases)is produced using Latin hypercube sampling method by considering five control factors. The levels of control factors are determined based on a study of vehicle front-end profiles of different vehicle class.
Contribution analysis of the MCL, A/PCL and Tibia moments using different levels of design factor is performed to understand the effects of control factors. The first significant control factor is lower fascia height for ACL elongation whereas lower and upper fascia regions stiffness have less effects.  For PCL elongation, upper fascia has more contribution than other control factors. At the same time, hood edge longitudinal direction and lower fascia height play an important role for PCL elongation. Lower fascia height significantly contributed to MCL elongation, also mid and upper regions stiffness are important for MCL. The most significant factor for TBM1 and TBM2 is lower fascia height, also hood edge longitudinal direction is important for TBM1 whereas the other control factors affects nearly zero. Lower fascia stiffness significantly contributed to TBM3 and TBM4.
After Design of Experiments and Contribution analysis, front-end control factor influence is determined on knee ligament elongations and tibia moments results. These results show us lower fascia height has significant effect on knee ligament elongation. To achieve knee elongation targets, it is needed to update or design lower fascia according to this target. Additionally, front bumper height may change the Flex-PLI to bumper contact area, therefore it is very important to where hits knee region of impactor on bumper fascia. Flex-PLI knee region hits to mid fascia at a B class vehicle whereas it hits below the mid fascia at SUV vehicle. These differences may cause change of Flex-PLI impact behavior on front bumper.
Different front-end design conditions that come from the design of experiment analysis have been evaluated. Mathematical models are produced by using Mode frontier program for each output. To minimize the MCL elongation and tibia-1 bending moment, control factor levels are expressed by using mathematical model. For MCL elongation, parametric CAE model created at A-3, B-1, C-1, D-2, E-2, condition. There is 80% improvement on MCL elongation with this condition. Same method applied for tibia-1 bending moment, also tibia-1 bending moment values showed 50 % improvement comparing the base model. The two output results verified that mathematical model accuracy. As can be understood from this experimental design, it is necessary to keep tibia and femur region at the same level of stiffness in order to keep the Flex-PLI knee ligament elongation at minimum value. In order to achieve this, the lower and upper fascia structures design should perform similar stiffness values. In order to keep the tibia bending moments values at the minimum level, the mid and lower fascia stiffness levels must be kept similar.