TOFAŞ otomobil gövdesi gerilme ve deformasyon analizi için ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü ile birlikte çalıştı. Analiz için gerekli olan otomobil gövdesi modeli Mechanical Desktop ile hazırlandı.

Prof. Dr. Y. Samim ÜNLÜSOY / Makina Mühendisliği Bölümü, ODTÜ
Doç. Dr. Orhan ALANKUŞ / Endüstriyel Planlama ve Ar-Ge Md., Tofaş Türk Otomobil Fabrikası A.Ş.
Dr. Cem AKBAŞ / Endüstriyel Planlama ve Ar-Ge Md. Yrd., Tofaş Türk Otomobil Fabrikası A.Ş.
Arş. Gör. M. Akif ERŞAHİN / Makina Mühendisliği Bölümü, ODTÜ

Günümüzde, tüm modern otomobillerde, gövdenin her elemanıyla yük taşıyan bir kabuk oluşturacak şekilde tasarlandığı tam entegre (monokok) gövde yapısı kullanılmaktadır. Yüksek mukavemetli özel çelikten preslenmiş ince levhalar, köşebentler ve profillerden oluşan, ağır elemanların yerleştirildiği ve büyük yüklerin uygulandığı kısımlarda özel olarak takviye edilen bu tip gövdeler diğerlerine göre daha hafif ve dayanıklıdır.

Böyle bir gövde yapısının gerilme ve deformasyon analizleri, klasik yöntemlerle ancak son derecede basitleştirilmiş modeller kullanılarak yapılabilmektedir. Ayrıntılı şekil ve kesit optimizasyonu da çok zordur. Tasarım ve geliştirme yöntemi ne olursa olsun, zaman zaman mevcut elemanlar üzerinde takviyeler ve/veya değişiklikler yapma gereksinimi doğmaktadır. Bu durumda yapılacak değişikliğin, gövdenin yapısal bütünlüğünü ve özelliklerini hangi yönde etkileyeceği belirlenmesi gereken önemli bir husustur. Bu konuda en uygun yaklaşım, gövdenin olabildiğince ayrıntılı bir modelinin hazırlanması, denenmesi ve daha sonra bu model kullanılarak yapılması öngörülen değişikliklerin sonuçlarının deneyden önce incelenmesidir. Gövde modelinin gerçeğe uygunluğu bir kere kesin olarak tescil edildikten sonra, yapılacak herhangi bir değişikliğin etkisini bilgisayar analizleri ile kestirmek mümkün olacaktır.

Sonlu Elemanlar Yöntemi (Finite Element Method - FEM), karmaşık geometriye sahip sistemlerin statik ve dinamik analizlerinin yapılmasını sağlayan bir yöntem olarak, günümüzde çok yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Ancak genel bir yanılgı, paket programı kullanımının, klasik yöntemlerle çözümü zor problemlerin kolayca ve otomatik olarak çözümünü sağladığıdır. Bir sonlu elemanlar yazılım paketi kullanımında, en kritik aşamalar elemanın modellenmesi ve sınır şartlarının belirlenmesidir. Sonlu elemanlar yöntemi bilinçsizce kullanıldığında gerçek olmayan, yanıltıcı sonuçlar verebilmektedir.

Gövdenin Modellenmesi
Piyasada mevcut sonlu elemanlar yöntemi paket programları, analizi yapılacak modelin oluşturulmasında kullanılacak modelleme birimlerine de sahiptir. Primitif yüzey (örneğin düzlem) ve hacimlerin (örneğin küre, dikdörtgenler prizması, piramit, vb.) veya bu yüzey ve hacimlerin kullanılmasıyla oluşturulabilecek modellerin hazırlanmasında, sonlu elemanlar paket programlarının sunduğu modelleme olanakları oldukça yeterli görülmektedir. Özellikle, sunulan hazır kiriş elemanlarıyla oluşturulabilen şasi çerçevelerinin veya otobüs gövdesi kafes yapısının modellenmesinde önemli problemlerle karşılaşılmamaktadır. Ancak, tam entegre bir otomobil gövdesinin yapısı birbiriyle çok karmaşık biçimlerde kesişen üç boyutlu yüzeylerden oluşmakta ve sonlu elemanlar paket programlarının sunduğu modelleme olanaklarının dışına çıkmaktadır. Bu durumda sonlu elemanlar yöntemiyle analizi yapılacak modelin bir Bilgisayar Destekli Tasarım (Computer Aided Design - CAD) yazılımı kullanılarak hazırlanması gereklidir. Hazırlanan model, bir sonraki aşamada, standart çeviricilerle sonlu elemanlar yazılımına aktarılabilmektedir.

Ancak günümüzdeki - çok gelişmiş - bilgisayar olanakları dahi otomobil gövdesinin tüm ayrıntıları ile modellenmesine yetecek düzeyde değildir. Modelin hazırlanması sırasında, gerçek yapının basitleştirilmesi zorunluluğu kaçınılmazdır. Ancak, sonuçların gerçeği aksettirebilmesi açısından, yapının basitleştirilmesinde bazı koşulların sağlanmasına dikkat edilmelidir.

• İncelenecek özellikleri (yük altında gerilmeler, deformasyon, vb.) etkileyecek basitleştirmelerden kaçınılmalıdır.
• Yüklerin uygulama nokta veya bölgelerinden başlayarak diğer bölgelere aktarılmasını sağlayan temel taşıyıcı yapı korunmalıdır.
• Basitleştirilen bölgelerde kesit özellikleri, gerçek yapının kesit özelliklerine eşdeğer olacak şekilde seçilmelidir.

Gövde MDT'nin sağladığı NURBS tabanlı yüzeyler sayesinde, yaklaşık 3850 eğri ve bu eğrilere oturtulmuş yaklaşık 530 farklı yüzeyle modellenmiştir. Modelin büyüklüğüne karşın, oluşturulmasında Pentium 200 işlemcili , 64MB bellekli bir PC yeterli olmuştur. Yüzey modelin yer aldığı DWG dosyası 15 MB civarındadır. Oluşturulan gövde modelinin tel çerçeve ve kaplanmış görüntüleri Şekil 1 ve Şekil 2'de gösterilmiştir.

Şekil 1: Gövde modelinin izometrik tel çerçeve görüntüsü

Şekil 2: Gövde modelinin kaplanmış (üst) görüntüsü

Sonlu Elemanlar Modeli
Bilgisayar destekli tasarım yazılımı MDT kullanılarak gövde modelinin oluşturulmasından sonraki aşama, sonlu elemanlar analizinin yapılacağı yazılımın seçilmesidir. Varılan aşamada hazırlanan gövde modelinin, sonlu elemanlar yazılımına aktarılması gerekmektedir. Bu amaçla MARC 4.0/MENTAT 2.3 kullanılmış ve model, MDT'nin IGES çeviricisiyle, "trimmed surface"- kesilmiş - yüzeyler olarak MENTAT 2.3 e aktarılmış; bir sonraki aşamada kabuk elemanlar kullanılarak örgü oluşturulmuştur. CAD yazılımlarıyla FEM yazılımları arasında sık rastlanan karmaşık yüzeylerin transferindeki problemlere rastlanmaması, IGES çeviricisinin başarılı olduğunu göstermektedir.

Örgünün Oluşturulması
Mentat'a aktarılan yüzeylerde her çizginin eşit sayıda ve eşit aralıkta düğüm noktası ile bölünmesi için gerekli ayarlama yapılmıştır. Bunun mümkün olmadığı bazı yüzeyler içinde düğüm noktaları teker teker çakıştırılmıştır.

Uygulanan Yükler ve Sınır Koşulları
Otomobil gövdelerinin gerilme ve deformasyon analizinde kullanılacak standart yükleme prosedürleri, değişik üreticilerin yıllar boyunca topladıkları bilgilerin ve deneyimlerin sonucu olarak oluşmaktadır. Otomobil gövdesinin gerilme ve deformasyon analizi için

1) eğilme ve
2) burulma

olmak üzere iki ayrı yükleme konfigürasyonu uygulanmıştır.

Eğilme konfigürasyonunda, yük gövdenin yolcu koltuklarının üzerine oturduğu taban kısmına, Şekil 3'de gösterildiği gibi yayılmıştır. Diğer taraftan gövde ön ve arka süspansiyon amortisör kulelerinin bağlantı yüzeylerindeki tüm serbestlik dereceleri sabitlenmiştir. Burulma konfigürasyonunda ise, gövdenin arka amortisör kulelerinin bağlantı yüzeyleri sabitlenmiş ve daha sonra ön süspansiyon amortisör kulelerinin bağlantı yüzeylerine birbirinin ters yönünde olmak üzere iki kuvvet uygulanmıştır.

Şekil 3: Eğilme konfigürasyonunda yükleme ve sınır koşulları

Gerilme ve Deformasyon Analizi
Kullanılan örgünün ince olması nedeni ile gövde modelinde yaklaşık 66,000 eleman, 80,000 düğüm noktası ve 480,000 serbestlik derecesi elde edilmiştir. Bu düzeyde bir modelin analizinin tamamlanması için oldukça uzun bir hesap süresi gerekmektedir. Söz konusu sürenin azaltılması için gövdenin iki parçaya bölünerek analizin sadece bir parça için yapılması yoluna gidilmiştir.

Uygulanan yük ve sınır koşulları altında gövde tasarımında eğilme konfigürasyonunda oluşan gerilme dağılımı Şekil 4'de, z-yönünde oluşan deformasyon ise Şekil 5'de gösterilmektedir.

Şekil 4: Eğilme konfigürasyonunda gerilme dağılımı (üst)

Şekil 5: Eğilme konfigürasyonunda z-yönünde deformasyon (üst)

Teşekkür
Yazarlar, modelin hazırlanması sırasında yazılım desteği sağlayan SAYISAL GRAFİK ile sonlu elemanlar örgüsünün oluşturulması ve çözüm sırasında sağladıkları destekten dolayı BIAS'a teşekkür eder.