Bir Otobüs Koltuğunun Sonlu Elemanlar yöntemi Kullanılarak 74/408 EEG Direktifine Göre Statik Analizi

AMAÇ

Yakın zamana kadar Türkiye otomotiv sanayinde standardizasyon, Araç İmal Tadil ve Montaj Yönetmeliği ile yapılmaktaydı.

7 Mayıs 1997 tarihli resmi gazetede yayınlanan Motorlu Araçlar ve Römorkları Tip Onay Yönetmeliği ile (M.M.R.T.O.Y.) yerli olarak üretilen ve ithal edilen araçlarda Ulusal Tip Onayı belgesi alma zorunluluğu getirilmiştir.

Motorlu Araçlar Tip Onay Yönetmeliği Çerçevesinde; araç, aksam ve sistem bazında Resmi Gazetede yayınlanan Avrupa Ekonomik Komisyonu (EEG) direktiflerine uyumun sağlanması ve belgelenmesi gerekmektedir.

GİRİŞ

Bu çalışmada, 74/408 EEG direktifi doğrultusunda koltuğu oluşturan parçaların ve koltuğun araca bağlantılarının direktif şartlarına uygunluğunu tespit etmek üzere statik durum için Sonlu Elemanlar yöntemi ile gerilme analizleri yapılmıştır.

74/408 EEG direktifinde koltuk üzerinde yapılan testler göz önüne alınarak, 2 farklı durum için statik analizlerin yapılması uygun görülmüştür. Bu testlerden birincisi koltuk bağlantılarının sağlamlığını kontrol etmek için yapılan test, diğeri ise koltuk parçalarının ve bağlantılarının mukavemetini kontrol etmek için yapılan testtir

Koltuk Kati Modeli

Koltuk Bağlantıları

Test, 74/408 EEG direktifinde koltuğu temsil eden rijid bir yapı üzerine F kuvveti ile 5050 N lak bir yük uygulanarak, koltuğu araca bağlayan koridor ayağı ve cam dibi patiği ile bağlantı yerleri olan karkas ve alüminyum profilin sağlamlığını tespit etmek için yapılmaktadır.

Bu test için 82 (K 3 mm) eğrilik yari çapında, en az 80 shore A sertliğinde ve en az koltuk genişliği kadar olan silindirik parçalar kullanılır.

yapılan bu analizde koltuğun kendisi rijid olarak kabul edilmiştir

74/408 EEG direktifine göre test ve dolayısıyla Sonlu Elemanlar Analizi, aşağıda tarif edilen F kuvveti ile en az 0.2 sn suresince, ayakların oturduğu referans düzleminden 750 mm yukarıda koltuğun arkalıkları bölgesinden uygulanması ile yapılmaktadır. Buradaki referans düzlemi, koltuğun yere bağlandığı taban yüzeyidir.

Uygulanan Kuvvet,

F = (5000 K 50) N ile F = 5050 N olarak alınmıştır

Koltuk Elemanları ve Bağlantıları

koltuğu oluşturan parçaların 74/408 EEG direktifinde belirtildiği şekilde uygulanan statik yükler altında, kalıcı deformasyonlar, yırtılmalar veya kırılmaların görülüp görülmeyeceğini tespit etmek amacıyla yapılmakta olan testtir.

Bu testte 2 farklı kuvvet 2 farklı yükseklikten ayni anda uygulanmaktadır.

Test, referans düzleminden h1 (m) yüksekliğinde, yukarıda tarif edilen silindirik parça kullanılarak koltuk arkalıklarından referans düzlemine paralel olacak şekilde F1 kuvveti ile uygulanır.

F1 uygulanacak birinci kuvvet h1 : yükseklik olup (0.7 m – 0.8 m) arasında bir yükseklik olmak zorundadır. F1 kuvvetinin değeri F1 = (1000 / h1) K 50 N formülüyle hesaplanır. Buradaki analizlerde;

h1 = 0.788 m ve F1 kuvvecide yaklaşık 1320 N olarak bulunur.

Yukarıdaki yükleme ile birlikte, referans düzleminden h2 (m) yüksekliğinde, ayni silindirik parça kullanılarak koltuk arkalıklarından referans düzlemine paralel olacak şekilde F2 kuvveti de uygulanır. H2 yüksekliği 0.45-0.55 metre arasında olup bu analizde 0.507 metre olarak alınmıştır. dolayısıyla yukarıdaki kuvvet formülünde yerine koyarsak f2 kuvveti yerine konursa f2 kuvveti yaklaşık 4044 N olarak bulunur.

F1 ve F2 kuvvetleri ayni anda ve en az 0.2 sn olarak uygulamak gerekmektedir.

Modelleme

koltuğun CAD modelinin oluşturulması işlemi için bir otobüs firmasına ait çıplak koltuk iskeletinden oluşan 2 kişilik bir koltuk kullanılmış ve ölçüler bu model üzerinden alınmıştır.

74/408 direktifinde belirtilen testlerin ve analizlerin yapılmasına gedmeden önce koltuğu oluşturan parçalardan bahsetmekte fayda olacaktır. şekilde kırmızı renkte görülen sac parçalar Arkalık ayaklarını göstermektedir. Koltuk üzerinde 2 adet arkalık ayağı kullanılmaktadır. Pembe renkte 4 adet olan oturak sacı görülmektedir. Yeni koridor ayağı yeşil renkte olup takviyeler de model üzerinde görülmektedir.

Koyu kırmızı renkte görülen alüminyum profil, cam dibi patiğine özel cıvata ve somunlarla bağlanmaktadır.

Koltuk arkalığı, kirişler Lice yani çizgilerden oluşmaktadır. Bu kirişler üzerine o kiriş boyutu ve sac kalınlığına bağlı olarak Alanı ve atalet momentleri hesaplanarak, matematiksel olarak ifade edebilecek model oluşturulmuştur. Sonuç olarak sunu belirtmek gerekirse mavi ile görülen arkalık kirişleri ile yeşil ile görülen oturak kirişleri arasında matematiksel ifade ve davranış olarak fark yoktur.

Oturak sacı ve arkalık ayağının teknik resimleri ile yeni yapılan koridor ayağının 3 boyutlu CAD modeli elektronik ortamda imalatçı firma tarafından temin edilmiştir.

CAD Modelinin oluşturulması işlemi ANSYS sonlu elemanlar analiz programı içerisinde yapılmıştır.

Daha önceden de bahsedildiği gibi, sonlu elemanlar modeli hazırlanırken

kirişler BEKAM ve SHELL elemanlar ile

Yüzeyler SHELL elemanlar ile

Cıvatalar ise SOLID elemanlar ile modellenmiştir

Koltuk arkalıkları dikdörtgen profillerden oluşmaktadır. Sonlu elemanlar modeli oluşturulurken bu bölgedeki kirişler BEKAM elemanlarla modellenmiş ve böylece daha az eleman şayisi kullanılarak çözüm zamanı azaltılmıştır

Oturma yerlerinde bulunan kirişler için ise, alt ve üst yüzeyinden bu kirişlere bağlanan sac parçalar olduğundan, kirisin alt ve üst yüzeyi arasında boşluk meydana gelecektir. Bu sebepten dolayı bu bölgedeki kirişler BEKAM elemanlarla değil, kabuk elemanlarla (SHELL 63) modellenmiştir

Sonlu Elemanlar Modeli

Asil görevi iki veya daha fazla parçayı birbirine bağlayarak parçaların birbirlerinden ayrılmadan yük iletimini sağlamak olan cıvatalar, bu çalışmada (koltuk bağlantı bölgelerindeki cıvatalar hariç) kati yani SOLID elemanlar ile modellenmesi yerine daha az eleman sayısıyla ve daha çabuk surede modellenmesi amacıyla kiriş yani BEKAM elemanlar ile modellenmiştir.

Kritik olarak görülen bölgelerde eleman şayisi diğer bölgelere göre daha yoğun olması sağlanmıştır. böylece, elde edilen analiz sonuçlarının, oluşturulan sonlu elemanlar modelinden bağımsız olması sağlanmıştır.

Koltuk üzerinde bulunan parçaların uygulanan yükün şiddet ve yönüne bağlı olarak bir biriyle temas edebilecek olan veya yük uygulandıktan sonra birbiriyle temasını kesilebilecek olan bölgelerde kontak elemanlar (CONTACA 174 ve TARET 170) kullanılmıştır.

tüm parçaların sonlu elemanlar modeli oluşturulduktan sonra birbirinden bağımsız olan bu parçalar, gerçekte olduğu gibi, birbirleri üzerinden yük iletimini sağlamak amacıyla coupling’lerle (bağlantı) birbirine bağlanması sağlanmıştır. Bu bağlantılarda gerekli yerlerde dönme veya ötelemeye izin verecek şekilde serbestlikleri bırakılmıştır.

Coupling’ler 2 veya daha fazla düğüm noktasını “birlestirmek” amacıyla kullanılırlar. Uzayda bir düğüm noktası herhangi bir veya daha fazla yönde bir hareket yapmış ve bir başka düğüm noktasının da ayni hareketi yapması isteniyorsa; bu durumda bu iki veya daha fazla düğüm noktası COUPLING’lerle birleştirilir.

Sonlu elemanlar modeli hazırlanırken model üzerinde bulunan gerilme bakımından önemli olmayan Fakat eleman şayisini arttıran veya modelleme zamanını arttıran köse yuvarlatmaları yani radiyuslar, cıvatalar perçinler küçük delikler kaynaklar modellenmemiştir.

Malzeme Özellikleri

Sınır Şartları

Koltuk, koridor ayağı vasıtasıyla karkas üzerine, pencere tarafından ise cam dibi patiği üzerine oturarak araca sabitlenmektedir.

Koridor ayağı bölgesi;

koltuk koridor ayağı vasıtasıyla, taban tahtası üzerinden karkas kirişi üzerine oturmaktadır. Buradaki analizlerde taban tahtası modellenmemiştir. Fakat, taban tahtasının kalınlığından dolayı meydana gelen boşluk, koltuk tanımlanırken ofset (boşluk) olarak verilmiştir. Koridor ayağı ile karkas kirişi arasındaki bağlantı 2 adet cıvata ile sağlanmakta ve bu iki parçanın birbiri ile temas eden/edecek yüzeyleri arasında kontak elemanlar tanımlanmıştır. Cıvataların sıkılmasından dolayı meydana gelen on gerilmeler, analiz çözüm zamanını arttıracağından ihmal edilmiştir.

Pencere tarafı bağlantı bölgesi; koltuk, cam dibi patiği ile 2 adet özel cıvata vasıtasıyla alüminyum profil üzerine bağlanmaktadır. Bu alüminyum profil Z profil vasıtasıyla yan kenar üzerine sabitlenmektedir. Cam dibi patiği ile alüminyum profil birbirine cıvatalarla bağlanmakta olup bu iki parçanın birbiriyle temas edecek yüzeyleri arasında kontak tanımlanmıştır. cıvata ve somun baslarının temas etme bölgelerinde fiziksel sürekliliği sağlamak amacıyla coupling’ler (birleştirmeler) kullanılmıştır.

Yükleme Koşulları

Bu çalışmada, koltuk bağlantıları ve bağlantı elemanları için iki farklı analiz söz konusu olduğundan 2 farklı yükleme durumu mevcuttur. Yükleme durumları aşağıda tarif edilmiştir.

Koltuk Bağlantıları Analizi

Ayakların oturduğu referans düzleminin 788 mm yukarısından, koltuğun arkalıklarından referans düzlemine paralel olacak doğrultuda, şekilde olduğu gibi F kuvvetinin uygulanması ile yapılmaktadır.

Uygulanan Kuvvet F = 5050 N dur.

Koltuk Elemanları ve Bağlantıları

koltuğu oluşturan tüm par carin üzerindeki gerilme dağılımını incelemek amacıyla yapılan bu analizde, 2 farklı kuvvet, 2 farklı yükseklikten ayni anda koltuğun arkalıklarından uygulanmaktadır. Bu yüklerin şiddetleri ve uygulama yükseklikleri daha önce de tarif edildiği gibi;

h1 yüksekliği 0.788 m ve

F1 kuvveti 1320 N dur.

Bu kuvvet ile birlikte

h2 yüksekliği 0.507 m ve F2 kuvveti 4044 O’luk yük ayni anda şekilde olduğu gibi uygulanır.

Analiz

Bu çalışmada, sonlu elemanlar modeli bir tane hazırlanmış olup bu model üzerine 2 farklı yükleme durumuna göre sinir şartları uygulanmış ve ayrı ayrı dosyalar halinde kaydedilmiştir. Bu 2 farklı dosya ANSYS sonlu elemanlar analiz programında PILI 800 işlemcili, 255 MB RAM’A sahip bir bilgisayarda çözdürülmüştür. Çözüm zamanı her bir analiz için 25 saattir.

Koltuk ve Koltuk Elemanları Analiz Sonuçları

• Arkalık ayağı

• Oturak Sacı

• Koridor ayağı

• Cam dibi patiği

• alüminyum Profil

• Koltuk Arkalıkları

Sonuçlar ve Öneriler

Koltuk Bağlantıları

• Koridor ayağı bölgesi

• Pencere Kenar bölgesi Bağlantıları

Koltuk ve Koltuk Elemanları Analiz Sonuçları

• Arkalık ayağı

• Oturak Sacı

• Koridor ayağı

• Cam dibi patiği

• alüminyum Profil

• Koltuk Arkalıkları

Not : Analiz Sonuçlarını sitede yayınlayamıyoruz.

Osman BEDEL
Makine Yük. Mühendisi