Kafes yapı dolgulu ince cidarlı tüplerin çarpışma davranışlarının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of crashworthiness behaviour of lattice structure filled thin-walled tubes
Yazar: ERHAN ÇETİN
Danışman: DOÇ. DR. CENGİZ BAYKASOĞLU
Hitit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İnce cidarlı tüpler pasif araç güvenlik sistemlerinde çarpışma enerjisi sönümleyici elemanlar olarak sıklıkla kullanılmaktadır. Son yıllarda oldukça popüler olan metal eklemeli imalat teknolojileri ince cidarlı metal tüplerin çarpışma dayanım performanslarının daha da iyileştirilmesi için kullanılan özgün dolgu malzemeleri üretilmesine olanak sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında ince cidarlı kare kesitli alüminyum 6063-T5 tüplerin içerisine dolgu malzemesi olarak iki farklı tipte kafes yapı (hacim merkezli kübik) ve (dikey elemanlara sahip hacim merkezli kübik) önerilmiş ve oluşturulan hibrit yapıların enerji sönümleme performansları eksenel ve eğik yükler altında sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Bu kapsamda, AlSi10Mg metal tozu kullanılarak doğrudan metal lazer sinterleme yöntemiyle üretilen kafes yapılar ince cidarlı tüplerin içerisine yerleştirilerek hibrit yapılar oluşturulmuştur. Oluşturulan hibrit yapılar çeşitli yüklemeler altında testlere tabi tutulmuş ve yapısal kusurlar, hasar modelleri, birim şekil değiştirme duyarlılığı, tüp ile kafes yapı arasındaki etkileşimler gibi çeşitli parametreler dikkate alınarak doğrusal olmayan dinamik sonlu elemanlar modelleri doğrulanmıştır. Ayrıca hibrit yapıların eğik yükler altındaki enerji sönümleme performanslarını iyileştirmek için dolgu malzemesi olarak derecelendirilmiş kafes yapılar önerilmiş ve bu yapılara kütlece denk eşdeğer kalınlıklı kafes yapılar oluşturularak bu yapıların çeşitli yükler altındaki çarpışma dayanım performansları karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda kafes yapı tipi, kafes eleman kalınlığı, kafes eleman düşey hücre sayısı, tüp kalınlığı, derecelendirilmiş kafes yapıların tepe açısı ve taban çap değeri gibi birçok farklı tasarım parametresi ele alınmış ve bu yapıların enerji sönümleme performansları çeşitli çarpışma dayanım kriterleri dikkate alınarak incelenmiştir. Bu tez çalışması, dolgu malzemesi olarak kullanılan kafes yapıların ince cidarlı tüplerin enerji sönümleme performanslarını hem eksenel hem de eğik yükler altında kafes ve tüp arasında ilerlemeli deformasyonu teşvik edici hibrit etkileşimlerden dolayı dikkate değer ölçüde iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca kafes yapı dolgulu tüplerin kafes birim hücre sayısı, kafes eleman çap değeri ve tüp kalınlığının uygun seçilmesiyle birlikte enerji sönümleme performanslarının ciddi miktarda arttırılabildiği göstermiştir. Sonuçlar önerilen yapıların çarpışma sönümleyici uygulamaları için potansiyel adaylar olduğunu ortaya koymuştur.

Abstract:
Thin-walled tubes have been mostly used in passive vehicle safety systems as crash energy absorber. Metal additive manufacturing technologies, which have become very popular in recent years, enable the production of novel filler materials to further improve the crashworthiness performance of thin-walled metal tubes. In this study, two different types of lattice structures (i.e., body-centered cubic, BCC and body-centered cubic with a vertical strut, BCC-Z) were proposed as filling material in thin-walled square-section aluminum 6063-T5 tubes and the energy absorption performance of the hybrid structures were investigated using finite element method under axial and oblique loads. At this point, hybrid structures were formed by placing the lattice structures produced by direct metal laser sintering method using AlSi10Mg metal powder into the thin-walled tubes. Then, hybrid structures were tested under various loading conditions, and the nonlinear dynamic finite element model was validated by taking into account various parameters such as imperfection, damage models, strain rate sensitivity and interactions between the tube and the lattice structure. In addition, in order to enhance the energy absorption performance of hybrid structures under oblique loads, graded lattice structures were proposed and the crashworthiness performances of graded lattice structures and their uniform counterparts are compared at the same weight. At this point, the effect of lattice structure type, lattice member thickness, number of vertical lattice unit cell, tube thickness, draft angle of lattice structures and base diameter of lattice structures on the energy absorption performance of hybrid structures were investigated by taking into account various crashworthiness criteria. This thesis study revealed that the lattice structures as filling material significantly improve the crashworthiness performance of thin-walled tubes due to hybrid interactions that promote progressive deformation between the lattice and the tube under both axial and oblique loads. In addition, the energy absorption performances of the lattice structure filled thin-walled tubes under axial loads can be considerably improved by the appropriate selection of number of lattice cell, diameter of lattice cell and tube thickness. The results revealed that the proposed structures are potential candidates for crashworthiness applications.