Araç gövde yapısında etkili kaynak düzeninin yeni yaklaşımı

Otomotiv sanayi gelişen ülke ekonomileri için önemi artan bir sektördür. Ülkemizde ise otomotiv sektörü üretim payı sebebi ile imalat sanayi içerisinde önde gelen sektörlerden biridir. Bu sektör içerisinde rekabet hızla yükselmektedir. Buna bağlı olarakta kaynakların verimli kullanımı ve üretim süresinin kısaltılması gibi unsurlar büyük önem taşımaktadır. Otomotiv sektörünün en önemli malzeme sınıfını çelik teşkil etmektedir. Otomotiv sanayi yakıt tasarrufu amacı ile daha hafif araç üretmek istesede günümüzde malzeme teknolojisi ve üretim maliyetleri nedeni ile yaygın olarak çelik malzemesi tercih ediliyor. Çelik endüstrisi dikkat çeken fiyat performasına ve geri dönüşüm olanaklarına sahiptir. Otomotiv alanında çelik sacların birleştirilmesi sıklıkla kaynak işlemi ile yapılmaktadır. Bir otomobilde yaygın olarak ise elektrik direnç nokta(punta) kaynağı yöntemi kullanılmaktadır. Ticari bir araçta ortalama olarak 3000-8000 arasında punta kaynağı bulunmaktadır. Bir otomobil üzerinde kullanılan punta sayısı üretim sürelerini ve üretim maliyetlerini önemli bir şekilde etkilemektedir. Bu konu son yıllarda gittikçe önemini arttırmaktadır. Bu sebeple otomotiv ana sanayi şirketleri bu konuda çalışmalarını sürdürmektedirler. Bu tez kapsamında, tam ölçekli sonlu elemanlar modeli oluşturulan ticari aracın üzerindeki punta kaynaklar incelenecektir. Tezin amacı bir araç üzerindeki punta kaynaklarının yerleşimini herhangi yapısal dayanım kaybı yaşamaksızın en ideal düzene getirmek ve aynı zamanda mevcut punta kaynak sayısında bir miktar azaltım yapmaktır. Tam ölçekli sonlu elemanlar modeli bu amaç doğrultusunda mevcut punta kaynakları ile beraber hazırlanmaktadır. Fakat araç üzerindeki ideal punta kaynak yerleşimini belirlemek amacı doğrultusunda araçta bulunan sac parça birleşim yerine üretim kaynak kısıtları doğrultusunda mümkün olduğunca çok sayıda punta kaynağı atılır. Geliştirilen topoloji optimizasyonu yöntemi ile sık olarak konumlandırılan punta kaynaklardan hangilerinin daha verimli çalıştığı anlaşılacaktır. Verimli punta kaynakların otomobil üzerinde yeri korunacaktır. Fakat verimli çalışmayan punta kaynakların ise otomobil üzerinden kaldırılması sağlanacaktır. Bu geliştirilen yöntemin topoloji optimizasyonundaki ismi yoğunluk yöntemidir. Bu yöntem ile otomobil sonlu elemanlar modeli üzerinde yeni punta kaynak yerleşim düzeni ortaya çıkacaktır. Yeni kaynak punta yerleşiminin başarılı olabilmesi için en önemli nokta ise yapısal performans üzerinde herhangi bir kötüleşme olmamasıdır. Bu kriterin sağlanması içinde bir takım limitler, kabuller ve yükleme senaryoları topoloji optimizasyon sayısal analizleri boyunca kullanılmaktadır. Tezin ilk bölümünde literatür araştırması ve tezin amacından bahsedilmektedir. İkinci bölümde ise yapılan çalışmanın teorik anlamda dayandığı temeller detaylı olarak incelendi. Multidisciplinary design optimization yaklaşımı önemli bir yere sahiptir. Ayrıca aracın burulma ve eğilme kuvvetleri altındaki davranışları incelenmektedir. Bu yükler altındaki davranışlarının yanı sıra NHV(Noise, vibration and harshness) anlamında doğal frekans takibi de yapılmaktadır. Aracın doğal frekansı mod izleme yöntemi ile takip edilerek, belirlenen kısıt değeri gözetiminde tutulmaktadır. Topoloji optimizasyonunda burulma rijitliği, eğilme rijitliği, doğal frekans mode numarası ve doğal frekans değerleri kısıt olarak belirlenir. Belirlenen değerler direk olarak topoloji optimizasyonu analizlerine dahil edilir. Bu kısıt değerleri mevcut aracın seri üretiminden daha önceki aşamada belirli hedefler dahilinde prototip araç üzerinden elde edilen sayısal verilerdir Bu nedenle topoloji optimizasyonunda kullanılan kısıt değerleri aracın ilk üretiminden önce belirlenmiş olur. Sonlu elemanlar araç modeli üzerinde sınır şartı bulunmamaktadır. Bu nedenle araç üzerinde atalet dengelemesi methodu kullanılır. Tezin üçüncü bölümündeki en önemli konu ise punta kaynak modellemesidir. Punta kaynağın gerçek yaşamdaki durumuna en yakın şekilde modellenmesi gerekmektedir. Fakat punta kaynak modellemeleri en basitleştirilmiş şekli ile analizlere dahil edilmektedir. Analiz çeşitlerine göre punta kaynak modellemeleri sınıflandırılabilir. Tezin dördüncü bölümünde optimizasyon methodu konusunda kapsamlı teorik bilgi verildi. Optimizasyon terminolojisinde bulunan fonksiyonlar ve parametreler açıklandı. Yapısal optimizasyon üçe sınıfa ayrılmaktadır. Boyut optimizasyonu, şekil optimizasyonu ve topoloji optimizasyonudur. Tezde topoloji optimizasyonu methodundan faydalanıldı. Punta kaynakları dizayn fonksiyonu olarak seçilerek topoloji optimizasyonu modeli kuruldu. Burulma rijitliği, eğilme rijitliği, doğal frekans topoloji optimizasyonu içerisine kısıtlama değerleri olarak ilave edildi. Hedef ise punta kaynak hacmini minimize etmektir. Bu yaklaşım yoğunluk yöntemi ile yapılmaktadır. Topoloji optimizasyonu kapsamında tezde burulma ve eğilme rijitlikleri temel alınarak punta kaynaklarının en verimli yeni yerleşimi ile punta kaynak sayısı azaltıldı. Punta kaynak sayısındaki %20 azaltma burulma rijitliği ve eğilme rijitliği üzerinde önemli bir değişime sebep olmamaktadır. Gerilme ve sehim değerlerinde de araç üzerinden okunan değerlere bakılarak önemli bir değişim yoktur denilebilir. Bu punta kaynak optimizasyonunun seçilen aracın sonlu elemanlar modeli üzerinde başarılı bir şekilde uygulandığını göstermektedir. Fakat unutulmamalıdır ki, otomobil bir çok açıdan sayısal analiz ve fiziksel testler ile değerlendirilmektedir. Herbir parçanın kendine özgü gereklilikleri ve hedefleri olabilmektedir. Bu nedenle araç üretim onayı verilmeden önce tüm testlerin tamamlanması gerekmektedir. Tez kapsamında otomobilin yapısal dayanımı ve rijitliği hedeflenerek sayısal analizler yapıldı. Elde edilen sonuçlar yapısal dayanımda ve rijitlikte kötüleşme meydana gelmeden punta kaynak azaltılabildiğini ortaya koymuştur. Tez çalışmaları dahilde iki topoloji optimizasyonu analizi yapıldı. Bu iki topoloji optimizasyonu analizi sonuçları arasındaki fark araç doğal frekansının önemini bizlere göstermektedir. İlk topoloji optimizasyonunda doğal frekans takip methodu kullanılarak analizler gerçekleştirildi. İkinci topoloji optimizasyonunda ise doğal frekans takip methodu analizlere dahil edilmedi. Tezin son bölümünde iki topoloji optimizasyonu analizinden çıkan veriler karşılaştırıldı. Stress, sehim, burulma rijitliği ve eğilme rijitliği sonuçları sayısal olarak ortaya konuldu. Bu iki topoloji optimizasyonun sayısal sonuçları karşılaştırarak doğal frekans takip methodunun analiz sonuçlarında pozitif bir etkiye sebep olduğu anlaşıldı. Özetlemek gerekirse, yoğunluk methodu kullanılarak geliştirilmeye çalışılan yapısal optimizasyon modelinde topoloji yaklaşımı kullanıldı. Punta kaynakların etkin kullanıldığı sac birleştirme noktaları tespit edilerek bu bölgelerde punta kaynakların kullanımına devam edildi. Etkin kullanılmayan birleştirme noktalarından punta kaynaklar kaldırıldı. Bu yaklaşım ile araç üzerindeki toplam punta kaynak sayısı azaltıldı. Punta kaynak sayısı araç maliyetlerinden ve üretim sürelerinde önemli bir unsurdur. Bu nedenle çalışılan tez konusu genel anlamda etkin sonuçlar vermeye yönelik yeni yaklaşımlar sunmuştur.