Hafif ve binek ticari araçlarının kaynaklı sac salıncak kolunun yol datası verileriyle hızlandırılmış ömür test verilerinin çıkarılması
Derivation of accelerated life test using road data for the sheet metal control arm of a passenger car and light commercial vehicle
Yazar: ALİMURTAZA RUTCİ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Taşıt süspansiyonu = Vehicle suspension

Özet:
Otomotiv sektöründe, firmalar yeni ürün tasarımlarında veya mevcut ürünlerdeki iyileştirme çalışmalarında öncelikle ürünün bilgisayar ortamında modelini oluşturup, sonlu elemanlar yöntemiyle analizini yapmaktadırlar. Ardından bilgisayar ortamlarında yapılan bu analizlerin prototip parça üzerinde yapılacak test çalışmalarıyla doğrulanması gerekmektedir. Test birim maliyetlerinin ve doğrulama
testi sürelerinin ise rekabeti fazlaca olan bu sektörde önemi bir hayli fazladır. Test maliyetleri ve süre göz önüne alınarak yapısal parçalarda hızlandırılmış ömür testleri öne çıkmaktadır.
Bu çalışmada doğrulama çalışmaları kapsamında hafif ticari araç süspansiyon parçalarından salıncak kolu parçasının kritik bölgelerindeki ortama gerilme değerinin hesaplanması ve farklı yol koşullarında gelecek olan farklı yükleme durumlarına
göre hızlandırılmış ömür testi oluşturma çalışmaları yürütülmüştür. Öncelikle salıncak koluna FEM analizleri yapılmış ve parçanın kritik bölgeleri tespit edilmiştir. Analizler yapılırken birim yükler uygulanmıştır. Böylelikle parçanın X ve Y yönündeki birbirinden lineer bağımsız bölgeleri tespit edilmiş ve enstrümantasyon çalışmaları belirlenen bölgelere uygulanmıştır. Parça üzerinde kritik bölgelere
yapıştırılan strain-gaugeler ile kuvvet kalibrasyonu yöntemi kullanılarak, harici bir yük hücresine gerek olmadan salıncak kolu bir yük hücresine dönüştürülmüş ve önceden belirlenen iki eksenli kuvvet, ölçülen birim şekil değiştirme verisinden bir transfer matrisi vasıtasıyla hesaplanmıştır. 
Strain-gaugeler ile enstrümante edilerek yük hücresine dönüştürülmüş olan salıncak kolu araca monte edilmiş ve aracın hedef kullanım ömrünü geçireceği şartlarda saha verileri toplanmıştır. Aracın hedef kullanım ömür dağılımları aracın servis
koşullarında kullanımının göz önüne alınması ve servislerden gelen bildirimler vasıtasıyla belirlenmiştir. Belirlenen yollarda toplanan verilen incelenmiş ve hasar vermeyen değerler filtrelenmiştir. Filtrelenen verilerden yük spektrumu oluşturulmuş ve daha sonrasında oluşturulan bu spektrum üzerinden kümülatif hasar hesaplaması yapılması amacı nCode yazılımı kullanılmıştır. Çalışmada Palmgren-Miner kümülatif hasar teorisi metodu kullanılmıştır. Metod, yük spektrumlarının farklı sabit gerilimindeki bloklara bölünmesi ve bölünen blokların toplam hasara katkılarının ne kadar olduğunun hesaplattırılması prensibine dayanmaktadır.
Salıncak ömür test cihazının çalabileceği şekilde çeşitli genliklerde ve kombinasyonlarda x ve y yönlerinde sinüs şeklinde kuvvetler oluşturulmuş ve bu kuvvetlerin yol verisi ile her noktada eş hasarı yaratması için kaçar adet uygulanması gerektiği nCode yazılımının ile "Optimized Testing" modülü kullanılarak hesaplanmıştır. Çalışmada toplanan yol verisinden, sabit genlikli sinüsoidal yüklemeler elde
edilmiştir. Elde edilen test verisinin, saha verisi ile yapının her yerinde eş hasarı oluşturması, test verisinin gerçek veriyi ne oranda temsil ettiğinin bir göstergesidir. Bu doğrultuda yapı üzerindeki farklı noktaları temsilen yapıya gelen iki eksenli yükleme farklı doğrultularda birim vektörler ile süperpoze edilmiştir. Yol verilerinden çıkartılan hedef kullanım spektrumu, aday test spektrumları ile optimizasyona tabii tutulup, bahsedilen sanal pozisyonlarda yol verilerinin hasarını en az hatayla sağlayan test yüklemeleri seçilmiştir. Sonuç olarak salıncak koluna hedef kullanım ömrü boyunca etkiyecek hasar miktarı belirlenmiştir ve hızlandırılmış ömür test verileri oluşturulmuştur.

Abstract:
At automotive sector, in the new product design or improvement of existing products, companies create a virtual model of the product firstly and analyse them in computer environment. Then there is a necessity to validify these analyses with real life test applications on prototypes of new products. In that very competitive sector, test cost and time are the most important among the parameters. When we consider the cost of the test applications especially in structural parts, accelerated vehicle tests puts itself one step forward.
Accelerated fatigue life testing is suitable for a automotive component, sub-assembly part or a whole vehicle. Test must illustrate the same failure mechanisms as seen in the real road conditions and would be representative of the real road loading environment. Also, tests would be accelerated where possible to reduce time scales and product development costs. There are lots of principal test methods of shortening test time without obtaining dubious results. But three methods are very important. The first applies to constant-amplitude testing. In these type of testing, it may be possible to increase the frequency of the cycle loading, bearing in mind the possible
effect of hysteresis. That type of testing method all about frequency domain. The second method, compressed time testing, applies to programmed loading, where it should be possible to avoid the use of or remove the non-damaging sections of the load-time history. The third method is to run test rigs day and night for 24 hours per day. By doing this many laboratories can achieve 168 hours of testing per week instead of 40 hours. Of course, continuous operation requires good, automatic and cutout systems.
In this study we use the second method to shortening the damage time. In the context of validation studies, the calculation of the stress value in the critical regions of the control arm part of the light commercial vehicle suspensions and the studies of accelerated vehicle test according to the different loading conditions which will come under different road conditions were carried out.
Especially FEM analyses have done and critical regions evaluated. While performing these FEM analyses unit forces have applied. By this way linearly independent areas of the part in X and Y directions specified after that strain gauges rosettes were implemented at high stress points based on FEM analyses. Using the force calibration method with critical areas of the part which strain-gauges embedded on,
the control arm was converted into a load cell without the need for an external load cell and the predetermined two-axis force was calculated from the measured unit data of deformation by the transfer matrix.
In the conventional method, parts of the component in critical load paths are removed and specially designed loadcells are builded in their place. This changes the stiffness and component mass, altering the road load. Resulting load path change in the systems can become a major source of discrepancy between the measured loading and the actual loading. Further due to space limitation, it may not be possible to instrument for simultaneous measurement of all the loads on the automotive component. These limited sistuations are overcome in the proposed measurement technique by using the whole component as its own loadcell. Strains at specific strategic locations on the component are measured and load is back calculated from these strain readings. In this method, except to place strain gages on the component surface, no modification or welded loadcell is done to the component. To identify the proper locations for strain gage measurements and to back calculate the load from strain, a software developed in-house, called BLC (Back Load Calculator), is used in conjunction with FEA. This technique would be applied to an automobile suspension component like the control arm. The control arm that is instrumented with strain-gauges and transformed to the load cell is mounted to the vehicle and road datas are gathered in the conditions that the vehicle run through target usage life. Before data acquisition, strain gauge rosette parameters (rosette type, resistance and gauge factor) and material properties (elastic modulus and Poisson's ratio) should be set correctly in datalogger software.
The target lifespan distributions of the vehicle have been determined by considering the use of the vehicle in service conditions and by the notifications from the services. The data that were collected on the specified roads were examined and the values which did not inflicted damage, were filtered. The load spectrum data which is filtered firstly and nCode software was used in this spectrum loading collective data. 
Palmgren-Miner method was used for the damage calculations. By this method, division of different constant load blocks of load collective and then the principle of calculating how much these blocks contribute to the total damage Sinsuoidal forces are created to the directions of x and y with different amplitudes and combinations so the control arm life test device can work and its been calculated
how many each of them to use for these forces to create equal damage in every point with road data by using `Optimized Testing` modüle of nCode software. 
This modüle calculates an optimized schedule of test events which, when added together, creates the best representation of a target event. It is used in proving ground optimization of ground vehicles as well as flight test profiling for aircraft. It is applicable wherever equipment usage is characterized in terms of a discrete mix of specific operating conditions, for example, distance traveled over a range of road surfaces etc. Time signal measurements are recorded on operational vehicles as well as vehicles undergoing proving ground test. The purpose is to establish what mix of proving ground surface or loading conditions should be used in order to derive the closest representation of the target operation. Time signal measurements are converted into a reduced histogram format before analysis. This process is known as "data characterization". The objective of data characterization is to reduce the size of the data to a manageable level while maintaining all the required characteristics. For optimization studies based on fatigue damage retention, time series data is often
characterized using Rainflow cycle counting, level crossing counting, pseudo-damage indices, Fatigue Damage Spectra (FDS) or Relative Damage Spectra (RDS).
In these study pseudo damage indices are used. Constant amplitude sinusoidal forces are obtained from the road data that gathered in this study. Creating equal damage in every area in the part of obtained test data with field data is an indication of how much the test data represent to the real data. In this sense, on behalf of the different points on the part, biaxial load that impacting the part is been superposed with different directed unit vectors. Target costumer spectrum that obtained from road datas, are subjected to the optimization with the alternative test spectrums and the test loads are selected that provide less damage of the road datas in virtual positions as mentioned. 
Consequently, damage amount is obtained that will impact to the sheet metal control arm throughout the target usage life and the test datas for accelerated life test is derivated.