Çoklu Doğruluk Dereceli Modelleme Tekniğinin Çarpışma Analizlerine Uygulanması

Abstract

Frontal crashes constitute vast majority of all traffic accidents. In case of a frontal impact, bumper system is the most important energy absorbing structure of the vehicle. Absorption of crash energy by the bumper decrease the energy transmitted to passenger cabin. Therefore, bumper systems are a crucial automotive design element which helps to decrease passenger injuries in frontal crashes. In this study, crashworthiness of a bumper system whose bumper beam is filled with honeycomb structure under axial impact is investigating using multi-fidelity modeling technique. ECE R-29 regulation is a compulsory safety requirement for heavy commercial vehicles, which is enforced by United Nations Economic Commission of Europe. In order to evaluate crash performance of the bumper system, loading conditions of ECE R-29 safety regulation is used. Primarily, a rigid test fixture with three alternatives is designed to keep bumper system in place while impacting in front of pendulum test bench which complies ECE R-29 regulations. Then, numerical simulations are run on finite element models of three alternatives of test fixture and results are compared with old test fixture which is failed in previous tests. One of the alternatives are chosen according to rigidity, weight and cost, then used in simulations for bumper optimization. A typical bumper system consists of a bumper beam and two crashboxes behind the beam and all assembly is fixed to front end of the front rails of the vehicle. In the next step of the study, a bumper system is designed which has two pieces of honeycomb structures inside bumper beam in front of crashboxes. Crashbox length, honeycomb wall angle and honeycomb wall thickness values are sought for by using a surrogate-based multi-objective optimization approach to maximize a composite objective function that provides a compromise between crash force efficiency and specific energy absorption. Optimizations using two different fidelity finite element models compared with multi-fidelity optimizations according to their optimization performance and computation time. Finite element analyses are conducted by using commercial finite element code LS-DYNA. Quadratic response surface models are used to predict finite element model response at any point in design space. It is found that optimum crash force efficiency and specific energy absorption requires shorter crashboxes, high honeycomb wall angle and medium honeycomb wall thickness. It is also found that even though the low-fidelity model decreases computation costs, high-fidelity model provides better optimum design. Multi-fidelity optimization provides a compromise between accuracy of high-fidelity model and computational time advantage of low-fidelity model.

Trafik kazalarının büyük çoğunluğunu önden çarpışmalı kazalar oluşturmaktadır. Önden çarpışmalarda aracın en önemli enerji yutucu yapısı tampon sistemidir. Çarpışma enerjisinin tampon tarafından emilmesi yolcu kabinine iletilen enerjinin azaltılmasına yardımcı olur. Dolayısıyla tampon sistemleri önden çarpışmalarda yolcu yaralanmalarının azaltılmasında rol oynayan kritik bir tasarım elemanıdır. Bu çalışmada tampon kirişi bal peteği yapılarla doldurulmuş bir tampon sisteminin çoklu doğruluk dereceli modelleme tekniği ile eksenel çarpışma performansının değerlendirilmesine çalışılmıştır. ECE R-29 yönetmeliği Birleşmiş Milletler Avrupa Ekonomik Komisyonu tarafından oluşturulmuş ağır ticari araçlar için zorunlu tutulan bir güvenlik gerekliliğidir. Üzerinde çalışılan tampon sisteminin çarpışma performansının değerlendirilmesi için ECE R-29 güvenlik yönetmeliği yükleme koşulları kullanılmıştır. İlk olarak ECE R-29 standardına uygun sarkaçlı test düzeneğinde çarpışma esnasında tampon sisteminin yerinde tutulabilmesi için rijit üç alternatifli bir test kaidesi tasarlanmıştır. Sonrasında 3 alternatifin sonlu elemanlar modeli üzerinde sayısal analizler koşturulmuş ve sonuçlar daha önceki testlerde başarısız olan kaide ile kıyaslanmıştır. Dayanıklılık, ağırlık ve maliyet kriterlerine göre alternatiflerden biri seçilerek tampon optimizasyonu simulasyonlarında bu kaide tasarımı kullanılmıştır. Tipik bir tampon sistemi bir adet tampon kirişi ve bu kirişin arkasına monte edilmiş iki çarpışma kutusundan oluşmaktadır. Sonrasında bu yapı araç şasisinin önüne monte edilir. Çalışmanın devamında tampon kirişinin çarpışma kutularının önüne denk gelen bölümüne iki parça bal peteği yapı olan jenerik bir tampon sistemi tasarımı yapılmıştır. Bu tasarlanan tampon sisteminin çarpışma kutusu uzunluğu, bal peteği yapı duvar açısı ve bal peteği yapı duvar kalınlığı değerleri çarpışma kuvveti verimi ve özgül enerji emilimi değerleri arasında uzlaşma sağlayan bir kompozit amaç fonksiyonu maksimize edecek şekilde optimize edilmiştir. İki farklı doğruluk derecesine sahip sonlu elemanlar modeli ile yapılan optimizasyonlar ve çoklu doğruluk dereceli optimizasyon metodu ile yapılan optimizasyonlar, optimizasyon performansları ve hesaplama zamanları açısından değerlendirilmiştir. Sonlu elemanlar analizleri için ticari bir sonlu elemanlar kodu olan LS-DYNA kullanılmıştır. Tasarım uzayının herhangi bir noktasında sonlu elemanlar modelinin yanıtının tahmin edilebilmesi için ikinci dereceden yanıt yüzey modelleri kullanılmıştır. Çalışma sonucunda optimum çarpışma kuvveti verimi ve özgül enerji emilimi için kısa çarpışma kutuları, yüksek bal peteği duvar açısı ve ortalama bal peteği duvar kalınlığı gerektiği bulunmuştur. Ek olarak düşük doğruluk dereceli modelin hesap zamanı açısından avantaj sağlamasına rağmen yüksek doğruluk dereceli modelin daha iyi bir optimum tasarım sunduğu, çoklu doğruluk dereceli optimizasyonun ise yüksek doğruluk dereceli modelin hassasiyeti ile düşük doğruluk dereceli modelin hesap zamanı avantajını birleştirdiği bulunmuştur.