Application of anthropometric finite element dummy models in objective ride quality evaluation for ground vehicles
Kara taşıtları için objektif sürüş kalitesi değerlendirmesinde antropometrik sonlu elemanlar dummy modellerinin uygulanması
- Tez No: 954420
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGEN AKALIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Günümüz araç tasarımında sürüş konforu, yolcu sağlığı ve pazar rekabeti açısından kritik bir faktör haline gelmiştir. İnsan vücut titreşimi, sürüş konforu değerlendirmesinde önemli bir bileşendir ve araç kullanımı sırasında insan algı gücünü ve sağlığını etkileyebilir. Bu çerçevede BS6841 ve ISO 2631-1, insan vücut titreşim cevaplarını değerlendirmek için standart bir çerçeve sunarak kabul edilebilir frekans aralıklarını ve insan titreşim toleransı eşiklerini tanımlamıştır. Bu standartlardan endüsrti içerisinde en yaygın olanı ISO2631-1 standartıdır ve bu çalışmada da bu standart üzerinden gidilerek bir değerlendirme yapılmıştır. Geleneksel tüm vücut titreşim çalışmaları ağırlıklı olarak çoklu gövde dinamiği insan vücut modellerine ve gerçek dünya testlerine dayanmaktadır. İnsal testleriyle ilgili etik kısıtlamalar ve de limitler, araştırmacıları sayısal simülasyonlar gibi alternatif yaklaşımlar keşfetmeye yönlendirmiştir. Sayısal simülasyonlarda ise ilk insan modelleri yay-kütle modelleme yöntemleriye modellenmiş olup, tek boyutlu bir çözüm sunmaktaydı. Çalışmaların ilerlemesiyle beraber çoklu gövde modellemeliryle iki boyutlu analizlerin yapılabileceği gövde modelleri oluşturuldu. Bu tek boyutlu ve iki boyutlu modeller literature önemli katkılar sunuyor da insan vücudunun kompleks dinamik cevabını birebir yansıtabilecek yeterliliğe sahip değillerdir. Bunun sebebi insan vücudunun farklı eksenlerde hareket eden mafsallardan oluşması tek ya da iki boyutlu çalışmalara nazaran çok daha kompleks bir davranış göstermesidir. Bu davranışın simülasyonu için daha detaylı modellere ihtiyaç duyulmaktadır. Burada sonlu elemanlar yöntemiyle oluşturulan insan modelleri öne çıkmaktadır. Bu modeller tüm serbestlik derecelerinde simülasyona izin verirken aynı zamanda insan uzuvlarının malzeme davranışlarının da detaylı modellenmesine olanak sağlamaktadır. Ayrıca tek ve iki boyutlu modellerle karşılaştırıldıklarında sakatlanma risk hesabı gibi çeşitli detaylı çalışmalara da katkı sağlayabilmektedirler. Örneğin literatürdeki bazı çalışmalarda sonlu elemanlar dummy modellerinin içerisine entegre edilen detaylı omurulik modelleriyle belli darbe koşullarında sakatlık risk analizleri yapılmıştır. Bir insan üzerinde bu çalışma için bir test yapılamazken sonlu elemanlar insan modelleri bu gibi analizlere olanak sağlamaktadır. Tüm bu gelişmiş sonlu elemanlar insan modellerine ragmen test ve numerik model karşılaştırması mümkün olmadığı için tüm vücut insan titreşim çalışmaları hala istenilen olgunluk seviyesine gelememiştir. Bu sebeple numerik modeller ve çoklu gövde dinamiği modelleri değerli bilgiler sunsa da, bunların gerçek dünya koşullarıyla olan korelasyonu hala bir zorluk teşkil etmektedir. Bu çalışma, gelişmiş sonlu elemanlar çarpışma test dummy modellerinin, özellikle THOR ve 5. Persentil Kadın dummylerin, insan vücudu titreşimleri değerlendirmelerinde kullanılabilirliğini araştırmaktadır. Geleneksel insan vücut modellerinin aksine, çarpışma mankenleri çarpışma dayanıklılığı açısından darbe yüklerine verdikleri biyomekanik tepkiler açısından yıllardır kullanılması sebebiyle tüm bu bilgi birikimleri ile kapsamlı bir şekilde doğrulanmıştır. Kinematik ve dinamik insan vücudunu simüle eden bu test dummylerinin titreşim cevabı için de kullanılmasının mümkün olabileceği düşünülmüştür. Ancak, bu modellerin insan vücut titreşimi çalışmalarındaki potansiyel kullanımı büyük ölçüde keşfedilmemiştir. Bu boşluğu gidermek amacıyla çalışmada, bir yolcu koltuğuna oturtulmuş farklı dummy konfigürasyonları ile kısa süreli bir şok girdisi uygulanan simülasyonlar kurgulanmıştır. Şok girdisi -x ve -z eksenlerinde ayrı ayrı tek eksenki olmak üzere uygulanmıştır. Bu kısa süreli şok girdisinin kullanılmasındaki amaç dummy modelinin tüm frekanslardaki cevaplarının tahrik edilerek modeldeki çeşitli uzuvların doğal frekanslarının -x ve -z eksenlerinde hesaplanmasıdır. Böylece ISO2631-1 standartı ile karşılaştırma yapılarak dummy modellerinin tüm vücut titreşim çalışmalarında kullanibilirliği doğrulanabilecektir. Ayrıca bu doğal frekans analiz çalışmasının yanında daha önce FED – A aracı bir tümsek üzerinden geçerken koltuk süngerü üzerinden alınan titreşim datasının titreşim girdisi olarak verildiği ikinci bir çalışma da yapılmıştır. Bu çalışmada ise amaç gerçekçi bir yol titreşim datası verildiğinde dummy modelinin zamandaki cevabı ve koltuk ve dummy etkileşimini simülasyonda incelemektir. Yapılan simülasyonların sonunda çarpışma dummy modellerinin kafa, göğüs ve pelvis bölgelerinden alınan cevaplar analiz edilmiş, bu bölgelere ait doğal frekans değerleri hesaplanarak literatürde uzun yıllardır kullanılan ve öne çıkan ISO2631-1 standartı ile kıyaslanmıştır. Bu simülasyonun yanında, tümsek üzerinden geçen FED-A aracının koltuk süngeri üzerinden alınan tireşim datası da bir konfigürasyonda uygulanarak aynı bölgelerden cevaplar okunmuş ve değerlendirilmiştir. Çalışma boyunca üç farklı manken konfigürasyonu incelenmiştir: (1) 90 derece sırt açısında oturan bir THOR dummy, (2) 30 derece yatay koltuk sırt açısında oturan bir THOR dummy ve (3) aynı konfigürasyonda oturan bir 5. Persentil kadın dummy. Göğüs, baş ve pelvis gibi kritik vücut bölgelerinden gelen titreşim yanıtları kaydedilmiş ve analiz edilmiştir. Çıkarılan frekans bileşenleri, ISO 2631-1 ve ilgili literatürde belirtilen doğal frekans aralıkları ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen titreşim yanıtlarının frekans aralıkları, ISO 2631-1'de belirtilen insan vücutunun doğal frekanslarıyla uyumlu bulunmuştur. Bu durum, dummy modellerinin insan vücudu titreşimi çalışmalarında kullanılabilirliğini doğrulamaktadır. Ayrıca, üç farklı manken konfigürasyonu arasındaki titreşim yanıtındaki farklılıklar değerlendirilerek duruş ve antropometrik faktörlerin etkiside belirlenmiştir. Bu etkiler incelendiğinde hassas frekans değerlerinin aynı bölgede kaldığı fakat 1-2 Hz civarında kaymalar olabildiği gözlemlenmiştir. 90 derece sırt açısı ile oturtularak bir tümsekten geçmekte olan askeri taşıtın koltuk süngerinden alınan datanın input olarak uygulandığı THOR dummy sonuçları ise insan vücudunun maruz kaldığı titreşim değerlerinin sadece inputa değil, vücut ve koltuk arasındaki etkileşimden de etkilendiğini göstermiştir. Tüm bu çalışmaların ışığında çarpışma mankenlerini insan vücudu titreşimleri çalışmalarına entegre ederek, sayısal simülasyonlar ile gerçek dünya insan vücut tepkileri arasındaki boşluğu kapatmak amaçlanmıştır. Bulgular, dummy modellerinin geleneksel insan vücut modellerinin yerine geçerek sürüş konforu değerlendirmelerinde güvenilir şekilde kullanılabilir olup olmadığını anlaşılmasına yardımcı olmuştur. Ayrıca, elde edilen sonuçlar dummylerin yalnızca sayısal simülasyonlarda değil, aynı zamanda fiziksel test ortamlarında da kullanılma potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Bu durum, insan testlerinin etik ve limitleyici zorluklarını azaltırken, gerçekçi biyomekanik tepkileri yakalayabilen yeni deneysel çalışmaların da önünü açmaktadır. Fakat dummy modelleri ile yapılan simülasyonlarda yüksek çözüm süreleri bu çalışmalarda zorlayıcı bir faktör olarak ortaya çıkmaktadır. Çözüm süresinin kısaltılması için dummy modellerinin sadeleştirilmesi ve de çeşitli indirgeme yöntemleri ile çözümlerin basitleştirilmesi gelecekteki çalışmalar için önem taşımaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma, başlangıçta çarpışma testleri için tasarlanmış dummylerin titreşim araştırmaları için de uygulanabilir olabileceğini göstermektedir. Bu araştırmanın sonuçları, gelecekteki araç tasarımlarında sürüş konforunun değerlendirilmesi ve optimize edilmesi için geliştirilmiş metodolojilerin oluşturulmasına katkıda bulunabilir. Çarpışma mankenlerinin kullanım alanlarını genişleterek, insan vücudu titreşimi değerlendirmelerinin doğruluğunu artırabilir ve otomotiv geliştirmelerinde teorik modeller ile pratik uygulamalar arasındaki boşluğu kapatabilir.
Özet (Çeviri)
Ride comfort has become a crucial factor in modern vehicle design, directly impacting passenger health, satisfaction, and market competitiveness. Whole-body vibration (WBV) is a key component of ride comfort assessment, as it affects human perception and well-being during vehicle operation. ISO 2631-1 provides a standardized framework for evaluating WBV exposure, defining acceptable frequency ranges and thresholds for human vibration tolerance. Traditional WBV studies have predominantly relied on multibody dynamics (MBD) human body models and real-world testing. However, ethical concerns and limits associated with human testing have driven researchers to explore alternative approaches, including numerical simulations. While MBD models offer valuable insights, their correlation with real-world conditions remains a challenge. This study investigates the feasibility of using advanced finite element (FE) crash dummy models, specifically the THOR and 5th Female dummies, for WBV assessments. Unlike conventional human body models, crash dummies are extensively validated for crashworthiness based on their biomechanical response to impact pulses. However, their potential application in WBV studies remains largely unexplored. To address this gap, the study employs a simulation framework where a passenger seat, occupied by different dummy configurations, is subjected to a short-duration shock input that mimics the effect of a vehicle traversing an obstacle. Three dummy configurations are examined: (1) a THOR dummy seated at the nominal seat back angle, (2) a THOR dummy seated at a 90-degree seat back angle, and (3) a 5th Female dummy seated at a 90-degree seat back angle. Vibration responses from critical body regions, including the chest, head, and pelvis, are recorded and analyzed. The extracted frequency components are then compared with natural frequency ranges reported in ISO 2631 and relevant literature. The frequency ranges of the recorded vibration responses were found to align with the natural frequencies of human body segments, as reported in ISO 2631-1, reinforcing the validity of using crash dummy models for WBV studies. Furthermore, differences in vibration response among the three dummy configurations are evaluated to determine the influence of posture and anthropometry. By integrating crash dummies into WBV studies, this research aims to bridge the gap between numerical simulations and real-world human body responses. The findings will provide insights into whether these validated crash dummy models can serve as reliable substitutes for traditional human body models in ride comfort evaluations. Moreover, the results suggest that not only can crash dummies be used effectively in numerical simulations, but they may also have potential applications in physical WBV testing environments. This opens new avenues for experimental studies where crash dummies could be leveraged as surrogates for human subjects, reducing limits on field area while still capturing realistic biomechanical responses. Ultimately, this study contributes to the broader field of vehicle comfort analysis by demonstrating that crash dummies, originally designed for impact testing, may also be applicable for vibration research. The results of this research may facilitate the development of improved methodologies for assessing and optimizing ride comfort in future vehicle designs. By expanding the scope of dummy utilization, this approach could enhance the precision of WBV evaluations, bridging the gap between theoretical models and practical applications in automotive development.
Benzer Tezler
- Sivas il merkezi orta ve ileri yaş bireylerinin antropometrik ölçümlerinin değerlendirilmesi ve medikal aparat tasarım uygulaması
Assessment of anthropometric measurements of middle- and elderly aged individuals in Sivas city centre and application of medical equipment designing
BURCU AKTAN KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
AntropolojiCumhuriyet ÜniversitesiAntropoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜLÜŞAN ÖZGÜN BAŞIBÜYÜK
- Dinamik ve antropometrik parametreler kullanılarak yürüyüş özelliklerinin çıkartılması ve kimlik tespiti
Person identification by extraction of anthropometric and dynamic gait features
MAHMUT SELMAN GÖKMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKarabük ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OĞUZ FINDIK
- Elit atletizm atlama branşı sporcularının antropometrik özellikleri ve spor performansı ilişkisinin değerlendirilmesi
Evaluation of the relationship between anthropometric characteristics and sports performance in elite track and field jumpers
MİKAİL YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Sporİstanbul Gedik ÜniversitesiBeden Eğitimi ve Spor Bilimleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEYED HOUTAN SHAHİDİ
- Matematik ve resim bölümü öğrencilerinde yüz tiplerinin ve yüzün antropometrik ölçümlerinin değerlendirilmesi
The evaluation of face types and its anthropometric measurements in college students from mathematics and painting departments
KEZİBAN KARACAN
- Kilolu kadınlarda zayıflama diyeti ve lpg endermoloji tekniğinin bölgesel zayıflamaya etkisinin değerlendirilmesi
Evaluation of the effect of weight loss diet and application of lpg endermologie testes on local weight loss in overweight women
FİLİZ BULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Beslenme ve DiyetetikErciyes ÜniversitesiBeslenme ve Diyetetik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HABİBE ŞAHİN