Tetra kiral ve içe girintili çarpışma kutularının performanslarının deneysel ve sayısal yöntemlerle incelenmesi ve optimizasyonu
An investigation and optimization of the performances of tetra chiral and re-entrant crash boxes by experimental and numerical methods
Yazar: CÜNEYT AKTAŞ
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:
Çarpışma kutuları kaza anında ortaya çıkan deformasyon enerjisini sönümleyerek taşıt içine en az seviyede iletilmesini sağlayan pasif güvenlik sistemleridir. Günümüzde imalat sektöründeki teknolojik ilerlemeler sayesinde negatif Poisson oranına sahip yapıların üretilebilirliği kolaylaşmış ve bunun sonucu olarak da negatif Poisson oranına sahip yapılar üzerine bir hayli araştırma yapılagelmiştir. Bu tez çalışmasında negatif Poisson oranına sahip, birim hücre yapısı tetra kiral ve içe girintili olarak adlandırılan kare ve silindirik çarpışma kutuları üzerine durulacaktır. Öncelikle bu yapıların çarpışma performansları değerlendirilecek, ardından optimum çarpışma kutusu tasarımı için eniyileme yapılacaktır. Çalışma kapsamında, çarpışma kutusu tasarımında kullanılacak olan 6061-T6 alüminyum malzemenin mekanik özelliklerini belirlemek için çekme numuneleri hazırlanmış ve çekme tesleri yapılmıştır. Bu özellikler, LS-DYNA yazılımı kullanılarak oluşturulan sonlu elemanlar modellerinde kullanılmıştır. Sonlu elemanlar modellerini doğrulamak için, çekme numunelerinin hazırlandığı plakadan tetra kiral ve içe girintili çarpışma plakaları üretilmiş, bu plakaların çarpışma testleri yapılmış ve oluşturulan sonlu elemanlar modelleri test sonuçları ile kıyaslanarak doğrulanmıştır. Sonlu elemanlar modelleri doğrulandıktan sonra, Latin hiperküp örneklemesi yöntemi ile her bir yapı için 40 geometrik parametre kombinasyonu oluşturulmuştur. Bu kombinasyonlar için, oluşturulan sonlu elamanlar modelleri kullanılarak çarpışma analizleri yapılmış ve çarpışma metrikleri hesaplanmıştır. Ardından, her bir çarpışma metriği için MATLAB yazılımı kullanılarak Kriging vekil modelleri oluşturulmuştur. Çarpışma kutularının optimum tasarımlarının belirlenebilmesi için çok amaçlı optimizasyon problemi oluşturulmuş, bir önceki adımda oluşturulan Kriging vekil modelleri MATLAB yazılımında ön tanımlı genetik algoritma fonksiyonuna entegre edilerek optimizasyon problemi çözülmüş ve Pareto optimum tasarım noktaları belirlenmiştir. Elde edilen bulgular ışığında; silindirik çarpışma kutularının daha iyi özgül enerji emilimi değerine sahip olduğu, kare çarpışma kutularının ise daha iyi çarpışma yükü verimliliği değerlerine sahip olduğu belirlenmiştir. Ek olarak, içe girintili çarpışma kutularının özgül enerji emilimi ve çarpışma yükü verimliliği bakımından daha üstün bir davranış sergilediği görülmüştür. Elde edilen tüm optimum tasarımlar değerlendirildiğinde ise; içe girintili silindirik çarpışma kutusunun diğer üç tip çarpışma kutusuna (içe girintili kare, tetra kiral silindirik ve tetra kiral kare) göre daha iyi özgül enerji emilimi ve çarpışma yükü verimliliği değerlerine sahip olduğu görülmüştür.

Abstract:
Crash boxes, are passive safety systems, occurs in the event of an accident absorb the deformation energy and ensure it is transmitted to the vehicle at a minimum level. Thanks to the technological developments in the manufacturing sector, the manufacturability of structures with negative Poisson ratio has been facilitated; therefore, substantial number of studies have been done on structures with negative Poisson ratio. In this study, we will focus on square and cylindrical crah boxes that have tetra chiral and re-entrant unit cell structures with negative Poisson's ratio. First, the crash performances of these structures are evaluated, then optimum crash box designs are obtained. Within the scope of this study, tensile samples are prepared and tensile tests are carried out to determine the mechanical properties of 6061-T6 aluminum material to be used in the crash box design. These properties are used in finite element models generated using LS-DYNA software. To validate the accuracy of the finite element models, tetra chiral and re-entrant plates are manufactured from the plate on which the tensile samples are prepared. Crash tests are performed on these plates and the generated finite element models are validated. After the validation of the finite element models, 40 different geometric parameter combinations (training points) are generated for each structure using Latin hypercube sampling method. Crash simulations are perfomed for these geometric parameter combinations, and crash metrics are evaluated. Kriging surrogate models are constructed using MATLAB to related these crash metrics tpo the geometric parameters. A multi-objective optimization problem is formulated, Kriging model are integrated to the MATLAB built-in genetic algorithm, Pareto optimal designs are obtained. In the light of the findings obtained, it is concluded that cylindrical crash boxes have better specific energy absorption values, while square crash boxes have better crush load efficiency values. In addition, re-entrant crash boxes are found to exhibit superior behavior in terms of specific energy absorption and crash load efficiency.