Geri Dön

A metamodel based approach for the shape optimization of a front rail

Ön rayın şekil optimizasyonu için bir metamodel tabanlı yaklaşım

PDF İndir

  1. Tez No: 915844
  2. Yazar: MUSTAFA GÜLMÜŞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Kazalar, Otomotiv Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Accidents, Automotive Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 85

Özet

Kaza olaylarında yaralanma ve can kaybı çoğu zaman kaçınılmaz bir durumdur. İnsan sağlığı bu tür olaylarda her zaman düşünülmesi ve önlem alınması gereken bir öneme sahiptir. Çarpışma sebebiyle olan kazalarda bugüne kadar birçok insan hayatını kaybetmiştir. Kayıpların önüne geçebilmek üzerine çarpışma analizleri alanında birçok çalışma yapılmıştır. Bu minvalde, teknolojinin gelişmesi ve otomobil ve havacılık endüstrilerindeki yenilikler yolcu güvenliği ve ekonomik hususlar açısından iyileşmelere sebep olmuştur. Üreticilerden talep edilenler; yolcu güvenliğine fayda sağlamak ve üretilen araçların ekonomik anlamda hem üreticiye hem de tüketiciye karlı bir ürün verebilmektir. İlk olarak kazalarda yolcu güvenliğini sağlamak için yapılması gereken şey, aracın yolcu kısmına gelen enerji miktarının olabildiğince azaltılmasıdır. Çarpışmalardan önce total enerji ya aracın toplam kinetik enerjisidir ya da çarpışan iki aracın toplam kinetik enerjisidir. Bu kinetik enerjiler kazadan sonra araçlar üzerine dağılmaktadır. Bu enerjiler ise yolcu kısmına çarpışmaya dayanıklı yapılar üzerinden iletilmektedir. Dağılan bu enerji yolcuların sağlığı ve güvenliği için oldukça tehlikelidir. Buradan anlaşılacağı üzere, araca yayılan enerji, yolcu kısmına da uğrayacaktır. Bu yayılım sırasında yolcunun boynunun kırılması, beyin kanaması ya da beyin travması gibi yaralanmalara yakalanması beklenmedik bir şey olmamaktadır. Çarpışmaya dayanıklı yapıların görevi ise, kaza esnasında enerjinin ilk uğradığı yer oldukları için bu enerjiyi olabildiğince soğurup yolcu kısmına olabildiğince az enerji seviyelirinin ulaştırılmasıdır. Bu görevin dışında, çarpışmaya dayanıklı yapıların çarpışma esnasında istenilen bir burkulma formunda olması beklenir. Böylece yolcu sağlığı ve güvenliği açısından çarpışmaya dayanıklı yapılar önemli bir yere sahiptir. Bir başka kritik konu ise ağırlıktır. Çarpışmaya dayanıklı yapılar için kullanılan malzemeler genellikle ağır metallerden oluşmaktadır ve aracın ağırlığını oldukça arttırmaktadır. Üretici burada kullanılan malzemenin ucuz ve hafif olmasını ister. Bu şekilde hem aracın toplam ağırlığında bir azalma ve yakıt tüketiminde alıcıya bir ekonomik artı sağlamaktadır. Alıcı da ekonomik olarak iyi bir aracı her zaman talep etmek ister. Araç ağırlığı diğer araçlara nazaran daha hafif olduğu zaman yakıt tüketimi de azalmaktadır. Malzeme seçimi bu sebeplerden dolayı çarpışmaya dayanıklı yapılarda önemli bir yere sahiptir. Araç tasarımı alanında kritik bir rol oynayan ve pasif önleyici sistemlerden biri olan çarpışmaya dayanıklı yapılar üzerinde birçok çalışma yapılmaktadır. Çarpışmaya dayanıklı yapılara bu yapıların içine alt yapılar ekleme, topoloji optimizasyonları, yapısal optimizasyonlar, malzeme değişiklikleri, tasarım değişiklikleri uygulanmaktadır. Yapılan bu çalışmalar çarpışmaya dayanıklı yapılar üzerinde oldukça gelişmeler sağlanmıştır. Bunların yanında belirtilmesi gereken başka bir konu da; kaza testlerinin yapıldığı gerçek testlerde kullanılan hız değerleridir. Bu hız değerleri genelde ortalama hız değerlerine sahiptir. Bunun sebebi yapılan kazaların çoğu, şehirde, caddelerde ve sokaklarda meydana gelmektedir. Bu yüzden gerçek kaza testleri, şehir içinde kullanılan hız seviyelerinde gerçekleşmektedir. Bir diğer düşünülmesi gereken nokta ise; kazadan hemen sonra motor sebepli bir yangının çıkması bu çarpışmaya dayanıklı yapılara ağır hasar verebilir. Malzeme seçimin doğru bir şekilde yapılması bu sebepten dolayı da önemlidir. Malzeme seçiminde önemli olan bir başka konu da, yapının spesifik enerji soğurma parametresidir. Bu parametre, yapının kilogram başına soğurduğu enerji miktarıdır. Bu değer ne kadar yüksek olursa o kadar iyidir. Yapılan bu optimizasyon çalışmasında ise çarpışmaya dayanıklı yapılardan biri olan ön ray üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Ön ray çarpışmaya dayanıklı yapıların arasında çarpışma anında en çok enerji soğuran ve en çok yüklenmeye maruz kalan yapıdır. Yolcu güvenliği ve sağlığı açısından bu yapının tasarımı ve optimizasyonu çok önemlidir. Bu optimizasyon çalışmasında önceden de belirtildiği gibi ön ray için yapılmaktadır. Çalışmada ön ray üzerine üç adet derinlik modifikasyonu yapılmaktadır. Bu derinliğin göçük mesafesi, derinlikler arası mesafe, derinlik genişliği ve ön rayın kalınlığı tasarım parametreleri olarak belirlenmiştir. Burada amaç ön rayın daha fazla enerji soğurabilmesi ve istenilen bir burkulma formu elde edilmesidir. Optimizasyon çalışmasının kısıtlama şartı olarak da içeri göçme seçilmiştir. Bu değer analizde ön rayın en ucundaki bir düğümün yer değiştirmesini hesaplayarak elde edilmiştir. Yapılan optimizasyon analizlerinde, birbirine sabit iki katı duvarın bir ön raya çarpmasıyla kaza analizi gerçekleşmektedir. Ön rayın arka düğüm noktaları tüm eksen yönlerinde ve moment eksenlerinde sabitlenmiştir. Bu çalışmada not edilmesi gereken önemli olan başka bir konu da, optimizasyon çalısmasında ön rayın yumuşak kısmı kullanılmıştır. Optimize edilmeye çalışılan kısım ön rayın yumuşak kısmıdır ve bu yapı üzerine çalışmalar yapılmıştır. Optimizasyon problem açıklamasından anlaşılacağı üzere, bu çalışma bir fiziksel problemdir. Sanal ortamdaki bu fiziksel problemi, matematiksel probleme çevirmek gerekmektedir. Bu problemi çözmek için metamodel bazlı optimizasyon tekniğinin kullanılmasına karar verilmiştir. Bu yöntemde vekil modeller elde edilerek optimize edilmek istenen amaç fonksiyonu ve kısıtlamalar bu vekil modellerde temsil edilmiştir. Bu vekil modelleri oluştururken örnekleme noktalarının oluşturulma yöntemi oldukça yüksek öneme sahiptir. Bunun için D-optimal noktalama seçimi, kriging yöntemi ve tam faktöriyel seçimi gibi farklı örnekleme nokta seçim yöntemleri vardır. Bu optimizasyon çalışmasında ise D-optimal noktalama seçimi kullanılmıştır. Optimizasyonda metamodeller oluştururken ise lineer polinom metodu kullanılarak vekil modeller elde edilmiştir. Bu metodları kullanarak, optimizasyon çalışmasında fiziksel problem, matematiksel modellere dönüştürülmüştür. Optimizasyon sonunda metamodeller kullandığımız için, hangi tasarım parametresinin optimizasyonun hangi aşamasında veya iterasyonunda ne kadar etkisi olup olmadığı incelenmiştir. Metamodeller üzerinden optimizasyon yapılırken türev bazlı olan optimizasyon metodları ve türev bazlı olmayan optimizasyon metodlarından birini seçmek gerekmektedir. Bu çalışmada türev bazlı olmayan, stokastik bir optimizasyon metodu olan genetik algoritma metodu seçilmiştir. Bu stokastik optimizasyon metodunu diğer metodlardan ayıran ve bu çalışmada kullanılmasının en önemli sebeplerinden biri; diğer stokastik optimizasyon metodlarında ilk örnekleme aşamasından sonra bulunan optimum nokta üzerinden gidilip, diğer iterasyonlarda da bu nokta etrafından bir optimum nokta arayışı mevcuttur. Fakat, genetik algoritma yönteminde ilk örnekleme aşamasından sonra yapılan diğer örnekleme aşamalarında nokta seçilme metodu rastlantısal ve bir önceki optimum noktadan tamamen farklı olabilmektedir. Bu özellik, genetik algoritmanın amaç fonksinunu maksimize veya minimize ederken lokal optimum noktalardan daha çok global optimum noktalarının bulunma ihtimalini oldukça arttırmaktadır. Bu sebeple genetik algoritmanın diğer metodlara nazaran oldukça önemli bir avantajı vardır. Bilinmesi gereken bir başka metod ise; her iterasyon sonucu yapılan örnekeleme metodunun özelliğidir. Sıralı etki alanı azaltma yöntemi kullanılarak, her iterasyon öncesi, o iterasyonda bulunan optimum nokta etrafında bir tasarım alanı korunarak ve tasarım alanı azaltılarak, optimum nokta etrafında yoğunlaşmanın arttırılması sağlanmıştır. Stokastik optimizasyon yöntemlerinde iterasyon sayısı kullanıcı girişli bir parametre olduğu için, bu çalışmada her optimizasyon için 8 iterasyon belirlenmiştir. Bu çalışmada ön rayın her açıdan incelenmesi ve tüm davranışlarının görülmesi için farklı hız ve malzeme seçimleri gerçekleşmiştir. Optimizasyon çalışması için, bir düşük hız seviyesi ve yüksek hız seviyesi belirlenmiştir. İki farklı hızda, ön rayın ne kadar enerji soğurduğu ve nasıl bir burkulma formuna sahip olduğu, çarpışmaya dayanıklı yapıların analizi açısından bizlere oldukça fazla bilgi vermektedir. Aynı zamanda farklı spesifik enerji soğruma seviyelerindeki farklılıkları görmek için çelik, alüminyum-7075 ve titanyum malzemeleri kullanılmıştır. Hem farklı hızlar, hem de farklı malzemeler kullanılarak toplamda 6 adet duruma sahip oluyoruz ve bunların her biri için ayrı ayrı optimizasyon çalışması yapmış oluyoruz. Burada dikkat edilmesi gereken nokta ise, optimizasyon sonuçlarında elde edilen aday geometrilerin tasarım parametre değerleri aynı değildir. Maksimize edilen amaç fonksiyonu soğurulan enerji olduğu için, bu değerin maksimize edildiği geometrik değerler birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Bu optimizasyonu yaparken bir modelleme bir dinamik analiz programı eşzamanlı çalıştırılarak optimizasyon yapılmıştır. Bu optimizasyon döngüsünde modelleme programında optimizasyonda belirlenen tasarım değişkenlirini ön rayda modifiye ederek, dinamik analiz programı için bir anahtar dosya hazırlar. Bu model dinamik analiz programında koşturularak, içeri göçme ve soğurulan enerji değerleri için iki farklı metamodel grafikleri hazırlanır. Burada global hassasiyet analizi yapılarak hangi tasarım değişkeninin optimizasyon çalışmasında daha fazla etkiye sahip olduğu irdelenir. Daha sonra seçilen genetik algoritma ile bu metamodellerde o iterasyon için optimum nokta bulunur ve sonraki iterasyon için bir tasarım uzay alanı belirlenir. Bu döngü 8 kere tekrar ederek optimizasyon bitirilir. Elde edilen sonuçlar neticesinde, soğurulan enerjiler, spesifik soğurulan enerjiler, yüklemeler, yer değiştirmeler, ortalama çarpışma kuvveti, çarpışma kuvveti verimliliği gibi birçok çarpışma parametresi birbirleriyle karşılaştırılarak hem ön ray için hem de çarpışmaya dayanıklı yapılar için kullanılacak malzeme ve limit değerlerinin avantajları ve dezavantajları tartışılmıştır.

Özet (Çeviri)

In crash cases, injuries and loss of lifes are inevitable situation most of the time. There are some another considerations in economic, sustainability and production areas from the manufacturer's point of view. There have been some technologic developments in automobile and aerospace industry that pushes manufacturers to produce safer and more profitable products. Bumper, rocker, rail upper and front rail are the main crashworthiness structures for vehicles design. Front rail is one of the most important impact absorber among the all crashworthiness structures in vehicle design area. It is noted that front rail plays the most critical role during the crash in crashworthiness structures. The fuctions of front rail are transmissing the crash force to the middle crumple zone, absorbing impact energy and providing a favorable buckling form during the crash. Absorbing impact energy is the most important parameter among all functions for passenger safety. Before the crash, there is a high kinetic energy for passenger between vehicles or between vehicle and static objects. One of the most considerable condition for crash cases is passenger safety. Crashworthiness structures are the main provider for this case. They absorbs the some portion of kinetic energy and transmits the left part into the passenger zone. It is important for passenger safety that the more energy absorbed by crashworthiness structures because passengers are exposed less impact energy. There have been some optimization studies and design innovations for crashworthiness structures. Also, some material applications are made to overcome in absorbing impact energy consideration for crashworthiness structures. Addition of sub-structures into crashworthiness structures, optimizations for getting less weight structures, structural optimizations are some studies for crashworthiness structures. In real crash test centers, speed of vehicles are specified as encountered in urban areas. Most of the crashes happens in city streets and real tests center used these kind of speed levels. Design modifications, material applications and comparing cases for different speed levels are the main objectives in this study. Firstly, a design approximation is made to absorb more impact energy in optimization cases. Embosses are created on the front rail for this purpose. Relations between embosses and thickness of front rail are specified as design variables. Another purpose of creating embosses on the front rail is getting appropriate buckling form during the crash. Embosses are provides this problem in optimization study. Secondly, some material applications are made for economic and flammability considerations. In crash scenarios, a fire situation can come up and it might melt the crashworthiness structures. Another consideration is fuel consumption. Selecting different materials provide us to have lightweight structure. Specific Energy Absorption (SEA) is another parameter for material selection for crash worthiness structure. Three different materials are used for every optimization process in this study. Lastly, two different speeds are selected to see how front rail behaves under low and high speed conditions and their buckling forms are examined. A stochastic optimizaiton method is selected for optimization processes. Genetic algorithm is used for all optimization studies. Metamodel optimization technics are used with the usage of genetic algorithm. D-optimal point selection is used for sampling process and sequantial response with domain reduction method is used for the selection of next iteration sampling design space. In result section, all six cases are compared with each other for crashworthiness indicators like SEA, peak force, mean crash force et al. After all optimization processes importance of design variables are discussed and metamodels of optimization processes are shown. Von-mises stress distributions of front rails are shown for all six cases to visualize stress distribution. Advantages and disadvantage of all six cases are discussed and their efficiency on this study are indicated.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    942802

    Forecasting of produced output electricity in photovoltaic power plants

    Foto-voltaik güç santrallarında elektrik üretim tahmini

    TARANEH SAADATI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURAK BARUTÇU

  2. Tez No

    863752

    Türkiye afet bilgi sistemi için birlikte çalışabilirlik esaslarının geliştirilmesi ve uygulanması

    Development and implementation of interoperability principles for disaster information system of Turkey

    ELİF DEMİR ÖZBEK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TAHSİN YOMRALIOĞLU

  3. Tez No

    276629

    A verification approach for dynamics of metamodel based conceptual models of the mission space

    Metamodel tabanlı görev uzayı kavramsal modellerinin dinamiklerine yönelik bir doğrulama yaklaşımı

    UTKAN ERYILMAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Bilişim Sistemleri Bölümü

    PROF. DR. SEMİH BİLGEN

  4. Tez No

    269523

    HLA FOM development with model transformations

    Model dönüşümleri ile HLA FOM geliştirme

    ALİ CEM DİNÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. HALİT OĞUZTÜZÜN

  5. Tez No

    285212

    Akıllı kart yazılımlarının model güdümlü geliştirilmesi

    Model based engineering for the development of smart card software

    HİDAYET BURAK SARITAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolEge Üniversitesi

    Uluslararası Bilgisayar Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. GEYLANİ KARDAŞ

Geri Dön