Bir toplu taşıma aracının sonlu elemanlar metodu ile dinamik analizi

Abstract

BİR TOPLU TAŞIMA ARACININ SONLU ELEMANLAR METODU İLE DİNAMİK ANALİZİ ÖZET Bu çalışmada, Mercedes Benz Türk A.Ş.'nin ürün yelpazesindeki Conecto C'nin modal analizi sonlu elemanlar metodu kullanılarak yapılmıştır. Conecto C, üç kapılı bir şehiriçi otobüsü olup, O 345 Conecto ailesinin bir üyesidir. Yapılan analiz ve bulunan sonuçlar tüm ailenin geliştirilmesi açısından önem taşımaktadır. Modal analizde, yapının doğal frekansları ve mod şekilleri elde edilir. Bunlar, belirli bir uyan ile başlayıp, sürtünme veya sönümün olmadığı durumlarda sonsuza kadar süren serbest titreşimin karakteristiğini belirleyen iki unsurdur. Bu karakteristik, sadece sistemin fiziksel özellMerinin bir fonksiyonudur. İlk mod şekli, en düşük potansiyel ve şekil değiştirme enerjisi ile oluştuğundan yapının karakteristiği açısından büyük önem taşır. Harmonik girdiler içeren birçok mühendislik probleminde çok sayıda doğal frekansın hesaplanmasına ihtiyaç duyulur. Bunlar, daha sonra yapılacak dinamik yüklemeler açısından bilgi verirler. Doğal frekansta olduğu gibi, mod şekillerinde de yapının ağırlığı, kütle dağılımı ve katılığı ana parametreleri oluşturur. Bütün parametrelerin ortak etkisi atalet momentinde belirginleşir. Kütle atalet momenti ile doğal frekansın büyüklüğü ters orantılıdır. Yani kütle atalet momentinin artması ile doğal frekansın değeri düşer. Çalışmanın üç boyutlu katı modellemesi Karoseri grubunun konstrüktörleri tarafından CATIA ortamında yapılmıştır. Sonlu elemanlar modeli için gerekli sadeleştirilmelerden bir kısmı CATIA ortamında yapıldıktan sonra MEDINA programının CATIA arayüzü kullanılarak modeller MEDINA'ya aktarılmıştır. MEDINA sonlu elemanlar modelinin hazırlanacağı paket program olup özellikle araç iskeleti modellemesinde çok yeteneklidir. MEDINA' da hazırlanan iki boyutlu modele yine iki boyutlu olan camların, bir boyutlu olan kütle ve aks modellerinin eklenmesiyle modellemede son aşamaya gelmiştir. Bu aşamada, elemanların modelleme esnasında atanmış olan geometrik özellMerinin ve malzemelerinin, paket programa girilmesi ile analiz aşamasına geçilmiştir. Modelleme sırasında, kiriş eleman (BEAM4), kabuk eleman (SHELL63), hacim eleman (SOLID45), kütle eleman (MASS 21) ve yay-sönümleme elemanı (COMBIN 14) kullanılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi ile yapılacak bir analizde için bazı varsayım ve basitleştirmeler kullamlmaktadır. Otobüs modelinde kullanılan varsayımlardan bazıları aşağıda sunulmaktadır. > Kullanılan CAD geometrisinin gerçek yapıyı yeterli ölçüde temsil edebildiği kabul edilir. > Deplasmanların, lineer bir çözümü sağlayacak ölçüde küçük olduğu kabul edilir. vıı> Dekoratif nitelik taşıyan yapılar mukavemet açısından etkisiz kabul edilerek modelde göz ardı edilirler. > Malzeme özelliklerinin lineer bölgede kaldığı ve farklı yük şartlarında değişmediği kabul edilir ve izotropik (veya ortotropik) olarak kabul edilebilir. > Tüm analizlerin oda sıcaklığı koşullarında yapıldığı kabul edilir. Malzemenin sıcaklığa karşı özellMerinin değişebilme ihtimali göz ardı edilir. > Sürekli ve yayılı kütle dağılımı modelde, nokta üzerinde temsil edilir. > Bağlantı bölgelerinde zaman içerisinde oluşacak çözülmeler göz ardı edilir. > Sistemdeki tüm kaynak yapılan ideal ve kusursuz olarak alınır. Modal analiz, gerekli bilgi birikiminin oluşturulması için üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Bunlar; > Taşıyıcı Konstrüksiyonun Analizi > Karoseri Analizi > Araç Analizi İlk iki analizde aracın ilk modunun eğilme yerine burulma olduğu görülmüştür. Eğilme ikinci modda ortaya çıkmıştır. Bu mod şeklinde aracın altyapısının tavana göre daha sağlam olması nedeniyle, tavan altyapıya göre çok daha fazla şekil değiştirmiştir. Kaplamalar, camlar, kütleler ve akslar içeren araç modelinde ise düşük frekansta görülen global modlar aksların etkisiyle ortaya çıkmıştır. İlk analizlerde görülen global modlar çevresinde, bu analizde görülen çok sayıda global modun aslmda tek bir global mod etrafında lokal modlann etkisiyle görülmüş varyasyonlar olduğu sonucuna varılmıştır. vıu

A DYNAMIC ANALYSIS OF A PUBLIC TRANSPORTATION VEHICLE WITH FINITE ELEMENT METHOD SUMMARY In this study, one of Mercedes Benz Turk A.Ş.'s products, Conecto C's modal analysis is prepared by the finite element method. Conecto C, which is a city bus with three doors, is a member of O 345 family. Made analysis and found solutions in this study, are important for the development of the whole family. hi the modal analysis, structure's natural frequency and mod shapes are obtained. These are, started with a certain pulse, and unless there is friction or dumping force, sustain infinitively showing the free vibration characteristic. This characteristic is only a function of the system's physical feature. As it is occurred by the minimum potential and deformation energy, the first mod shape has a great importance. Engineering problems that has harmonic inputs have to be solved for many natural frequencies. These, give information for the behaviors of the structure for dynamic loading. Structure's weight, weight distribution and stiffness are the master parameters for mode shapes so as it is in the natural frequency. All parameters' mutual effects become clear in the moment of inertia. The body's moment of inertia has an inverse proportion with the natural frequency. That means rise in the body's moment of inertia, will make the natural frequency fall. 3-D solid modeling of the study is prepared in CATIA by the constructors of the Body- Structure group. Some of the necessary elimination for the finite element method is done in CATIA and models are transferred to MEDINA by using the MEDINA'S CATIA interface. MEDINA is software that is used for the preparation of the finite element models, and is especially effective in vehicle carcass modeling. By joining the 2-D glasses and 1-D masses and axle models, the 2-D model is finalized in MEDINA. By entering the software the geometric features and the materials of the elements, which are appointed in the modeling phase, this phase is completed. In the modeling phase, beam element (BEAM4), shell element (SHELL63), solid element (SOLID45), mass element (MASS21) and spring dumper element (COMBIN14) are used. Some assumption and simplifications are being used in an analysis that will be prepared with finite element method. Some of the assumptions that are used are listed below: > The CAD geometry that is used is accepted to represent the body. > Deformation is accepted to be as small as having a linear solution. > Interior trims that have decorative qualities are omitted as they are thought to have no effect on strength. > Material qualities are thought to be in the linear region and are not variable by the different loads and are thought to be isotropic (or orthotropic). IX> All analyses are thought to be done in the room temperature. And the probability that materials qualities may change by the temperature are omitted. > Continuous and spread mass distributions are represented on a node in the model. > The unfastening in the joining regions is omitted. > Weldings of the structure are thought to be ideal and perfect. The modal analysis, to obtain the necessary knowledge, is formed in three phase. These; > Analysis of the carrier construction > Carcass analysis > Vehicles analysis. In the first two analyses it is seen that the first mode of the vehicle is not bending but torsion. Bending is come out in the second mode. In this mode shape, as the bottom of the bus is more rigid than the roof, roof lost more shape. hi the vehicle model, containing coatings, glasses, masses and axle, the global modes that are seen in the low frequencies come out with the effect of the axles. By the information from the global modes seen in the first analyses, many global modes that are seen in this analysis are variations of one global mode affected by the local modes.