Taşıtlarda kullanılan metalik köpük içeren çarpışma kutularının enerji sönümleme kapasitelerinin araştırılması
Investigation of the energy absorbtion capasities of the crash boxes containing metalic foam used on vehicles
Yazar: MURAT ALTIN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN SERDAR YÜCESU ; PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde, taşıtlarda kullanılan çarpışma kutularının enerji sönümleme kapasitelerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmada öncelikle farklı geometrik yapıda dokuz adet dikdörtgen kesite sahip çarpışma kutusu tasarlanmış ve bu çarpışma kutularının sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda en yüksek enerji sönümleme karakteristiğini ortaya koyan çarpışma kutuları belirlenmiş ve tel erezyon yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Daha sonra AlMg1Si0,6TiH20,8 alaşımlı alüminyum köpük malzemelerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Alüminyum alaşımlı köpürmeye hazır preform malzeme hazırlanan özel kalıplar içerisinde 750 °C'de ~7,5 dakika süreyle fırında tutularak üretilmiş ve çarpışma kutularının içerisine yerleştirilmiştir. Boş ve alüminyum köpük malzeme ile dolu dikdörtgen kesitli çarpışma kutuları daha sonra statik test şartlarında 2 mm/dakikalık deformasyon hızında basma testine tabi tutulmuştur. Yapılan testler sonucunda çarpışma kutuları düzenli ve yeterli deformasyona uğramamış, bu sebeple test sonuçları sonlu elemanlar analizleri ile doğrulanamamıştır. Bu sebeple çalışmanın devam eden kısmında dikdörtgen kesitli çarpışma kutularına alternatif dairesel kesitli çarpışma kutuları kullanılmıştır. Dairesel kesitli çarpışma kutuları dikdörtgen kesitli çarpışma kutularında olduğu gibi boş ve alüminyum köpük doldurulmuş halde basma testleri gerçekleştirişmiş, homojen ve düzenli deformasyonla elde edilen test sonuçları sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak doğrulanmıştır. Doğrulama işleminin yapılmasıyla birlikte dairesel kesitli boş ve alüminyum köpük dolu özgün çarpışma kutusu tasarımları gerçekleştirilmiştir. Çarpışma kutularına yerleştirilen alüminyum köpük miktarları, çarpışma kutularının et kalınlıkları ve koniklik açıları değişken parametreler olarak belirlenmiştir. Tasarım parametreleri belirlenmesiyle birlikte çarpışma kutularının sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizler sonucunda, çarpışma kutusuna yerleştirilen alüminyum köpük malzemenin enerji sönümleme kapasitesini arttırarak çarpışma performasını iyileştirdiği tespit edilmiştir. Çarpışma kutularının koniklik açılarının arttırılması maksimum deformasyon kuvvetini azalttığı belirlenmiştir. Özgün tasarımlar içerisinde en iyi enerji sönümleme karakteristiğini tamamen alüminyum köpük ile dolu 3 mm et kalınlığı ve 7,5° koniklik açısına sahip çarpışma kutusunun olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, energy absorption capacities of the crash boxes used on vehicles was aimed to be improved. First of all, nine rectangular cross sectional crash boxes having different geometrical structure were designed and these crash boxes were analyzed via finite element analysis. According to the analysis results, the crash boxes providing maximum energy absorption capacity were manufactured by wire erosion. After that, manufacturing of AlMg1Si0,6TiH20,8 aluminum alloy foams was conducted. Aluminum foam was produced by holding the foam-ready aluminum alloy in the 750 °C furnace almost 7.5 minutes and inserted the crash boxes with appropriate forms. Empty and aluminum foam filled rectangular cross sectional crash boxes were subjected to a compression test at 2 mm/min deformation rate. As a result of the tests, crash boxes deformed unexpectedly; therefore, finite element results have not been validated. For this reason, cylindirical crash boxes were used instead of the rectangular crash boxes for he remaining part of the study. Empty and aluminum foam filled cylindirical cross sectional crash boxes were tested like rectangular cross sectional crash boxes and finite element results were validated with experimental results. After validation process, novel empty and aluminum foam filled crash boxes were designed. Mass of the aluminum foam inserted in the crash boxes, thickness and the taper angle of the crash boxes were determined as variables. After that, the finite element analysis of the crash boxes were performed. As a result of analysis, it was determined that the aluminum foam which was inserted in the crash boxes improved the energy absorption capacity and crash performance. It was also determined that increasing the taper angle of the crash boxes reduced the maximum deformation force. It was found that the novel crash box having 3 mm thickness and 7,5° taper angle provides best energy absorption characteristics among the other designs.