Investigation of acoustic and dynamic properties of weatherstrips used in vehicle doors
Havacılık ve otomotiv sektöründe kullanılan kapı sızdırmazlık elemanlarının akustik ve dinamik özelliklerinin incelenmesi
- Tez No: 769299
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK EROL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Physics and Physics Engineering, Mechanical Engineering, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
Günümüzde otomotiv sektöründe hızlı bir dönüşüm gerçekleşmektedir. Kullanıcıların taşıtlardan beklentileri değişmekte ve çeşitlenmektedir. Akustik performans beklentisinin yükselmesi ve sızdırmazlık elemanlarının bu beklentiyi karşılayacak şekilde yeniden tanımlanması bu değişiklikler arasındadır. Aracın içerisinde aktarma organları, yol ve rüzgâr gürültüsü arasında bir denge ile sağlanan akustik armoni, içten yanmalı motor, şanzıman, egzoz vb. kaynaklı gürültülerin azalması ya da tamamen kaldırılması sonucunda bütünüyle değişmiştir. Artık yeterince maskelenmeyen rüzgâr gürültüsünün engellenmesi, araç akustiği çalışmaları için oldukça önemli hale gelmiştir. Rüzgâr gürültüsünün baskın hale gelmesine neden olan bir diğer etmen ise taşıtlardaki ortalama seyir hızlarının günden güne artmasıdır. Mobilitenin ve yeni teknolojilerinin artması ile birlikte yüksek hızlarda yolculuklar gerçekleşmekte bu durum rüzgâr gürültüsünün azaltılmasını önemli hale getirmektedir. Son teknolojik yenilikler sonucunda taşıt mimarisinde de değişiklikler gerçekleşmiş, farklı aerodinamik gürültü kaynakları, aynasız araçlar gibi uygulamalar ile azaltılmıştır. Rüzgâr gürültüsünün kabin içine iletiminin engellenmesi daha önemli hale gelmiştir. Araçlardaki kapı ve kayar cam sistemleri bu gürültünün kabin içerisine iletildiği en önemli yoldur. Son 10 yılda gerçekleşen değişiklikler göz önüne alındığında kapı ve cam sistemlerinin akustik iletiminin iyileştirilmesi gerektiği görülmektedir. Bir diğer önemli trend ise hafif yapılı araçların yaygınlaşması yönündedir. Gerek elektrifikasyon gerekse sürdürülebilirlik çalışmaları kapsamında taşıtların ve buna bağlı olarak kapı, kaput bagaj gibi alt sistemlerin ağırlıkları giderek azalmaktadır. Bu durum alt sistemlerin gövdeye montajı için tanımlanan tolerans aralıklarının yükselmesine, titreşim genliklerinin artmasına yol açmış, bu sistemlerin birleşim noktalarında yer alan sızdırmazlık elemanlarının tasarımının yeninden gözden geçirilmesini gerekli kılmıştır. Sızdırmazlık sistemlerinin akustik performansının incelenmesi için bu yapıların hem polimer malzeme özelliklerinin hem de özgün geometrilere sahip şekil özelliklerinin ortaya çıkartılması gerekmekte, buna bağlı dinamik özelliklerin detaylıca ortaya koyulması gerekmektedir. Sızdırmazlık sistemlerinde kullanılan malzemeler, yüksek elastikiyet özelliklerine, düşük elastisite modülüne ve yüksek akma dayanımına sahip polimerlerdir. Bu özellikleri ile birlikte genellikle elastomer olarak ifade edilirler. Elastomer malzemeler lineer olmayan gerilme-şekil değiştirme davranışı gösterirler. Bu özelliklerinin yanında viskoelastik malzemelerdir ve oldukça yüksek sönüme sahiptirler. Sızdırmazlık sistemlerinde bu malzemeler çoğunlukla ekstrüzyon yöntemi ile üretildiğinden isotropik olmayan karakterdedirler. Polimer yapıları çoğunlukla her bir ürün için ayrıca geliştirilen karışım reçetelerine bağlıdır ve proses şartlarına göre mekanik özellikleri yüksek değişkenlik göstermektedir. Elastomerlere özgün tüm bu özellikler frekansa bağlı olarak tanımlanan akustik performans incelemelerinde oldukça önemlidirler. Bu tezde sızdırmazlık sistemleri, bu sistemlerde kullanılan polimer malzemelerin spesifik özellikleri incelenmiştir. Bu incelemeler yapılırken, analitik yöntemlerden, sayısal hesaplama yöntemlerinden ve deneysel yöntemlerden yararlanılmıştır. Hem malzeme yapısına hem de geometrik yapıya bağlı olarak belirlenen akustik performans özellikleri detaylı olarak araştırılmıştır. İlk aşamada gerçekleştirilen çalışmalarda sızdırmazlık sistemleri için hem akademik hem de endüstriyel alanda kullanılabilecek bir sayısal modelleme yönteminin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, sızdırmazlık sisteminin sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak 2 farklı modeli oluşturulmuş. Oluşturulan ilk modelde malzemelerin lineer olmayan hiperelastik özellikleri kullanılarak kapı kapanma sonrasındaki şekil değişimi elde edilmiştir. Daha sonra ise deforme edilmiş geometri kullanılarak modal özelliklerin ve akustik başarımın hesaplanacağı dinamik malzeme modeli oluşturulmuştur. Sızdırmazlık kesitinin maruz kaldığı gürültü kaynağı, iletim yolu, hava kavitesi ve elastomer malzeme modeli, teorik esaslar da gözetilerek bu model içerisinde yer almıştır. Oluşturulan bu modelin doğrulama çalışmalarında kullanılmak üzere akustik ölçüm düzeneği geliştirilmiştir. Bu düzenek ile sızdırmazlık profillerine ait ses iletim kaybı değerleri araç üzerinde farklı kapı açıklıklarını da temsil edebilecek şekilde ölçülmüştür. Sonlu elemanlar modelinin doğrulaması yapıldıktan sonra parametrik çalışmalar gerçekleştirilmiş, akustik başarıma etki eden faktörler incelenmiştir. Bu çalışma kapsamında sızdırmazlık elemanlarının geometrisini oluşturan cidarların modal davranışı araştırılmış ve dinamik titreşim davranışı ile akustik özellikler arasındaki ilişki ortaya koyulmuştur. Bu çalışmalar yapılırken elastomer malzemelerin özgün yapısı gözetilmiş, hipererlastik ve viskoelastik malzeme ölçümleri yapılmıştır. Çalışmanın özgünlüğünü artıracak şekilde, viskoelastik özellikler için empedans tüpü ölçümlerinin kullanıldığı ara bir malzeme doğrulama aşaması tarif edilmiştir. İkinci aşamada yapılan çalışmalarda ise elastomer malzemelerin viskoelastik özellikleri ve bu özelliklerin ses iletimi üzerine etkisi incelenmiştir. Sızdırmazlık elemanlarında kullanılan gözenekli ve gözeneksiz yapıdaki malzemelerin özellikleri dinamik mekanik analiz yöntemi ile ölçülmüş ve farklı teorik yaklaşımlardan yararlanılarak analiz edilmiştir. Bu yapılardaki ses iletim özelliklerinin temel dinamik davranış ile ilişkisinden yararlanılarak bir karakterizasyon yöntemi geliştirilmiştir. Akustik çalışmalarda kullanılacak malzeme modellerinin doğru belirlenmesinde etkin olarak kullanılması amaçlanan bu karakterizasyon yönteminde, frekansa bağlı olarak malzemenin elastisite ve sönüm özellikleri, empedans tüpü ölçümlerinden yararlanılarak elde edilmektedir. Bir boyutlu ve iki boyutlu ses iletimine ilişkin teorik çerçeve sunulmuş daha sonrasında dairesel plakalara ait titreşim denklemleri oluşturulmuştur. Kapalı formda elde edilen analitik ifadeler ile yüzey integrali hesaplanmış, empedans tüpü için geçerli olan düzlem dalga yaklaşımından yararlanarak mekanik empedansı frekansa bağlı olarak elde edilmiş, geri hesaplama yöntemi ile malzemelerin özellikleri belirlenmiştir. İkinci aşamada yapılan çalışmalar sonucunda; sızdırmazlık sisteminde, ses iletiminde temel belirleyen faktörün malzeme cidarlarının rezonans karakteristikleri olduğu belirlenmiştir. Gözeneksiz malzemelerdeki dinamik davranışın dairesel plaka teorisine oldukça uyduğu belirlenmiştir. Buna karşılık gözenekli malzemelerdeki yüksek modların ise plaka ve membran teorisine ait modların arasında yeraldığı gözlenmiştir. Bu gözlemler elastomere ait empirik katsayılar cinsinden ifade edilerek metoda eklenmişlerdir. Analitik yaklaşımlar ile geliştirilen bu yaklaşımın elastomerler için bir test yöntemi olarak kullanımı yönünde adım adım bir hesaplama metodu tarif edilmiştir. Malzeme test sonuçlarının karşılaştırması yapılarak geliştirilen yöntemin doğrulaması sağlanmıştır. Duyulabilir frekans aralığı için geçerli olan bu yöntemin yapılacak akustik çalışmalarda pahalı ve zahmetli malzeme test yöntemlerine bir alternatif olması beklenmektedir. Üçüncü aşamada gerçekleştiren çalışmalarda ise önceki çalışmaların sonuçlarından da yararlanılarak sızdırmazlık sistemlerinin akustik optimizasyonuna yer verilmiştir. Hem malzeme özellikleri hem de şekil özelliklerinin incelendiği bu çalışmada istatistiksel deney tasarımı yöntemlerden yararlanılmıştır. Sayısal çıktıların veri olarak alındığı bu çalışmada öncelikle sayısal hesaplama yöntemlerinin deneysel doğrulaması gösterilmiştir. Sonrasında ise malzeme özelliklerinin akustik performans üzerine etkisi hem tam faktöriyel tasarımı ile hem de Taguchi deney tasarımı yöntemi ile incelenmiştir. Bu çalışma kapsamında bir sızdırmazlık elemanının şekil özelliklerini tanımlayan tüm boyutsal değişkenler parametrik olarak ifade edilmiş, daha sonra her birinin etkisinin deney tasarımı yöntemi ile analizi yapılmıştır. Yapılan çalışmalarda hem kontrol edilebilen değişkenler (malzeme ve geometri) hem de kontrol edilemeyen değişkenler (gürültü spektrumu ve kapı aralığı toleransı) göz önüne alınarak optimizasyon yöntemi güçlendirilmiştir. Optimizasyon sonucunda sızdırmazlık elemanlarının en iyi başarım gösterdiği parametrik değerler elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Today, a rapid transformation is taking place in the automotive industry. Users' expectations of vehicles are changing and diversifying. Increasing expectations for acoustic performance and redefining sealing elements to meet these expectations are among these changes. Acoustic harmony inside the vehicle, provided with a balance between the drivetrain, road and wind noise is no longer valid. Preventing wind noise, which is no longer adequately masked, has become very important for vehicle acoustics studies. Another factor that causes wind noise to become dominant is that the average cruising speed of vehicles is increasing day by day. With the increase in mobility and new technologies, cruise speed is increased, which makes wind noise important to be reduced. As a result of new technological innovations, changes have occurred in the vehicle architecture, and different aerodynamic noise sources have been reduced with applications such as mirrorless vehicles. It has become more important to prevent the transmission of wind noise into the interior cabin. Door closure and glass run channel systems are two important paths for noise transmission into the cabin. Considering the changes that have taken place in the last ten years, door closure systems need to be improved in terms of their acoustic performance. Another significant trend is electrification in the automotive industry. Within the scope of both electrification and sustainability studies, the weights of vehicles and sub-systems such as doors, hoods and trunks are gradually decreasing. This situation caused the increase of tolerance for mounting the subsystems to the body, and the vibration amplitudes are increased. In order to investigate and improve the acoustic performance of the sealing systems, it is necessary to reveal both the polymer material properties of these structures and the shape properties with unique geometries, and the dynamic properties related to those need to be analysed. The materials used in sealing systems are polymers with high elasticity, having low elastic modulus and high yield strains. With these properties, they are generally expressed as elastomers. Elastomer materials show nonlinear stress-strain behaviour. In addition to these features, they are viscoelastic materials and may have very high damping values. Since these materials are mainly produced by the extrusion method in sealing systems, they have non-isotropic properties. Their structures mainly depend on polymer compounding recipes for each product and their mechanical properties vary significantly according to process conditions. All these properties specific to elastomers are critical features for investigation of acoustic performance studies. This thesis investigated acoustic properties of sealing systems and the specific properties of polymer materials used in these systems. Analytical methods, numerical calculation methods and experimental methods are utilized to carry out these studies. Acoustic performance properties determined depending on both the material structure and the geometric structure have been investigated in detail. The first phase studies aim to develop a numerical modelling method that can be used in both academic and industrial fields for sealing system investigations. For this purpose, two different finite element models of the sealing system were developed. In the first model developed, the deformation after door closing was obtained using the materials' non-linear hyperelastic properties. Then, a dynamic material model was created to calculate modal properties and acoustic performance using deformed geometry. The noise source, transmission path, air cavity and elastomer material properties are included in this model by considering the theoretical principles. An acoustic measurement setup has been developed to be used in the validation studies of this model. With this setup, the sound transmission loss values of a sealing profile were measured by representing different door gaps on the closure of vehicles. After the validation of the finite element model, parametric studies were carried out and the factors affecting the acoustic performance were examined. The modal behaviour of the partitions forming the geometry of the sealing elements was investigated. The relationship between dynamic vibration behaviour and acoustic properties was revealed. While carrying out these studies, the original structure of elastomer materials was considered, and hyperelastic and viscoelastic material measurements were made. An intermediate material validation step is described using impedance tube measurements for viscoelastic properties, increasing the study's novelty. In the second stage of studies, the viscoelastic properties of elastomer materials and the effect of these properties on sound transmission were investigated. The properties of porous and non-porous materials used in sealing elements were measured by the dynamic mechanical analysis method and results are explained. A characterization method has been developed by utilizing the relationship between sound transmission properties and their dynamic behaviour. In this characterization method, the elasticity and damping properties of the material, which vary according to the frequency spectrum are obtained using impedance tube measurements. The theoretical models for one-dimensional and two-dimensional sound transmission are explained, then the vibration equations of circular plates are presented. The surface integral was calculated with the analytical expressions obtained in closed form, the mechanical impedance was obtained depending on the frequency by using the plane wave approach, which is valid for the impedance tube, and the properties of the materials were determined by the reverse calculation method. As a result of the studies carried out in the second stage, it was determined that the influential factor in sound transmission in the sealing system is the resonance characteristics of the material walls. It has been determined that the dynamic behaviour in non-porous materials complies with the results of the circular plate theory. On the other hand, it was observed that the higher modes in porous materials are located between the modes of plate and membrane theory. These observations are included in the method by expressing them in terms of empirical coefficients of the calculations. A step-by-step calculation method is described for practical use as a test method for elastomers. The material test results were compared and the developed method was validated accordingly. This method, which is valid for the audible frequency range, is expected to be an alternative to the expensive and complicated material testing methods in acoustic studies. In the studies carried out in the third phase, the acoustic optimization of the sealing systems was performed. Both material properties and shape properties were examined, and the statistical design of experiment method was utilized. In this study, outputs obtained by numerical calculations are used as response data. Firstly, experimental validation of the numerical calculation methods is shown. Afterward, the effects of material properties on acoustic performance were investigated with both the full factorial design and the Taguchi experimental design method. Within the scope of this study, all dimensional variables that define the shape properties of a sealing element are expressed by parametric entities, then the effect of each parameter is analysed by the design of experiments method. In the studies, a robust optimization method is also considered by including both controllable variables (material and geometry) and uncontrollable variables (noise spectrum and door gap tolerance). As a result of the optimization, the parametric values in which respond best parameters are determined.
Benzer Tezler
- Taşıt kapı sızdırmazlık profillerinin akustik incelenmesi
On the acoustical investigation of vehicle door seals
AHMET ÇAĞLAYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK EROL
- Hoparlörlerin dinleme odalarındaki ses kalitesinin araştırılması
Investigation of sound quality of loudspeakers in rooms
KEREM BAŞARAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT TEMEL BELEK
- Çeltik lifi takviyeli polilaktik asit matrisli biyo bozunur kompozit malzemenin termal, mekanik ve akustik özelliklerinin araştırılması
Investigation of thermal, mechanical and acoustic properties of rice straw fiber reinforced polylactic acid matrixed biodegradable composite material
MEHTAP AĞIRGAN
Doktora
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiTrakya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TAŞKIN
- V3Ge bileşiğinin fiziksel özelliklerinin ve süperiletkenlik mekanizmasının teorik olarak incelenmesi
Theoretical investigation of the physical properties and superconductivity mechanism of V3Ge compound
SÜLEYMAN BERKUTAY DURSUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SADIK BAĞCI
- Sayısal yöntemler kullanarak sualtı araçlarının hidro ve vibroakustiğinin çözümü ve dijital sonar tasarımı
Hydro and vibroacoustical solution of underwater vehicles using numerical methods and digital sonar design
EMRE GÜNGÖR
Doktora
Türkçe
2018
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR