Genel Bakış

Bu projede, eksenel sıkıştırma altında ince cidarlı bir alüminyum enerji emici malzemenin ezilme davranışını modelleyip analiz ediyoruz. Amaç, çarpışma güvenliği tasarımında kilit faktörler olan deformasyon tepkisini ve enerji emme kapasitesini değerlendirmektir.

Çarpışma emiciler veya diğer adıyla darbe emiciler, araçlarda kritik bir rol oynar. Bir çarpışma sırasında, darbe enerjisinin büyük bir kısmını emer, şasiyi hasardan korur ve en önemlisi yolcu güvenliğini sağlar. Aşağıdaki şekilde, bir araç şasisindeki darbe emicilerin bir örneğini görebiliriz.

Abaqus Modelleme

Parçalar ve Montaj

Enerji emiciyi, 80 × 80 mm kare kesitli ve 400 mm yüksekliğinde ince duvarlı bir kutu olarak modelliyoruz. Yapıyı, kabuk ekstrüzyonu kullanarak bir kabuk parçası olarak temsil ediyoruz.

Her biri 160 × 160 mm ölçülerinde olan iki ayrı rijit düzlemsel kabuk, rijit plakaları temsil etmektedir. Simülasyon, kutuyu bu plakalar arasına yerleştirir ve üst plakayı yapının üzerine doğru aşağıya hareket ettirerek ezme işlemi uygular.

Not: Abaqus'ta Abaqus montaj modülünde değil, parça modülünde tanımlanmalıdır. Burada açık çözümleyiciyi kullandığımız için (aşağıda açıklanmıştır), referans noktalarına atalet atanmalıdır. Atalet değerinin tam değeri tepki kuvvetlerini etkilemez.

Malzeme ve bölüm

Enerji emici malzeme olarak 2011 alüminyum kullanıyoruz ve bu malzemenin başlıca özellikleri şunlardır:

• Young modülü: 71,7 GPa

• Poisson oranı: 0,333

• Akma gerilimi: 169 MPa

• Yoğunluk: 2700 kg/m³

Plastik davranış doğrusal olarak modellenmiştir.

Kabuk kalınlığı, orta yüzeyde ofset ile birlikte 2 mm olarak ayarlanmıştır.

Dinamik Açık Adım

Bu analiz için Dinamik Açık çözümleyiciyi seçiyoruz. Kapalı çözümleyiciden farklı olarak, açık çözümleyici atalet kuvvetlerini hesaba katar ve matris denklemlerini çözmek için farklı bir yöntem kullanır. Açık çözümleyici, tepkiyi birçok küçük, ayrık zaman artışı kullanarak hesaplar ve simülasyon sona erene kadar adım adım ilerler. Mühendisler genellikle büyük deformasyonları, karmaşık temas etkileşimlerini, yüksek yükleme oranlarını veya malzeme arızasını simüle etmek için açık çözümleyiciler kullanırlar.

Atalet kuvvetlerinin varlığı nedeniyle, malzeme modelinde yoğunluğu tanımlamak ve ayrıca rijit parçalara atalet atamak önemlidir.

Ayrıca belirtmekte fayda var ki, Abaqus kararlı zaman artışını en küçük elemanın boyutuna ve dalga hızına (malzeme özelliklerine bağlıdır) göre hesaplar. Zaman artışı ne kadar küçükse, simülasyonun tamamlanması o kadar uzun sürer.

Element kütlesini yapay olarak artırarak kütle ölçeklendirmesi uyguluyoruz; bunu ya doğrudan bir kütle ölçek faktörü kullanarak ya da hedef bir zaman artışı tanımlayarak yapıyoruz. Burada, 1E-6s'lik bir hedef zaman artışı kullanıyoruz

Sınır Koşulları ve Etkileşim

Kutuyu alttan sabitledik. Diğer tüm serbestlik derecelerini sabit tutarken, üst plakaya y yönünde -300 mm'lik bir yer değiştirme (yapının %75'i oranında sıkıştırma) uyguladık ve alt plakayı tamamen sabitledik.

Not: Açık bir simülasyonda yer değiştirme belirtirken, yer değiştirmenin artış genliğini de tanımlamanız gerekir. Bu projede, yer değiştirmede doğrusal bir artış kullanmalıyız, bu nedenle tablo verilerini kullanıyoruz.

Etkileşim için Genel İletişim kullanıldı.

Özellikler açısından, sürtünme katsayısı 0,4 olan teğetsel davranış ve sert temaslı normal davranış dikkate alınmıştır.

Ağ

5'lik bir tohum boyutu dikkate alındı ​​ve S4R elemanları kullanıldı.

S4R elemanları, azaltılmış entegrasyona sahip 4 düğümlü kabuk elemanlarıdır.

Sonuçlar ve Yorumlama

Aşağıdaki şekil, deformasyon sonrasında ezilmiş kutuyu göstermektedir

Aşağıdaki animasyonda, üst plakanın kutuyu ezmesiyle kutunun nasıl büküldüğünü görebiliriz.

Arazi verilerinden kuvvetleri ve yer değiştirmeleri çıkarabiliriz. Kuvvet-yer değiştirme eğrisi Excel'de çizildi.

Ezilme sırasında, enerji emici başlangıçta akma noktasına ulaşmadan önce en yüksek kuvvete ulaşır. Daha sonra kuvvet hafifçe azalır ve ortalama bir değer etrafında dalgalanarak kuvvet-yer değiştirme eğrisinin plato bölgesini

Plato bölgesindeki her bir kuvvet düşüşü, ezilme sırasında kolonda meydana gelen bir burkulmaya karşılık gelir (animasyonda görüldüğü gibi).

Performans Değerlendirmesi

Enerji emicilerin performansı ile ilgili olarak kullanılan bir dizi ölçüt vardır. Bunlardan iki önemli ölçüt, Ezilme Kuvveti Verimliliği ve Özgül Enerji Emilimidir .

Ezme Kuvveti Verimliliği

Çarpma sırasında, enerji emici, kabine ve yolculara aşırı yük aktarımını önlemek için ilk tepe kuvvetini sınırlamalıdır. Yüksek bir ilk tepe kuvveti, iletilen darbeyi artırır. Verimli bir enerji emici, plato bölgesindeki çarpma kuvvetlerini ilk tepe kuvvetine benzer seviyelerde tutarak, kademeli enerji emilimini ve yolcu güvenliğinin artmasını sağlar. Çarpma Kuvveti Verimliliği (CFE) aşağıdaki gibi tanımlanır:

Fmax, ilk tepe kuvvetini, EA toplam emilen enerjiyi ve d-total ise kırma işlemi sırasındaki toplam yer değiştirmeyi ifade eder.

CFE değerleri 0 ile 1 arasında değişir. 0 CFE değeri en kötü performansı, 1 CFE değeri ise en iyi performansı gösterir.

Özgül Enerji Emilimi

Özgül Enerji Soğurma oranı, yapının hafif olup olmadığını belirler ve aşağıdaki gibi tanımlanır:

EA, toplam enerji emilimini, kütle ise yapının toplam kütlesini ifade eder.

SEA değerinin 20'den büyük olması kabul edilebilir ve yapının hafif olduğunu gösterir.

Kuvvet-yer değiştirme eğrisinden bu değerleri nasıl bulabiliriz?

Abaquselde ettiğimiz verilerden maksimum kuvveti zaten biliyoruz. Sadece emilen enerjiyi hesaplamamız gerekiyor. Emilen enerji temelde kuvvet-yer değiştirme eğrisinin altındaki alandır. Abaqus çıktıyı eşit aralıklarla belirli sayıda zaman aralığında yazar. Zaman aralığı, işi göndermeden önce çıktı seçenekleri alanında belirtilebilir. Kuvvet-yer değiştirme eğrisi aslında aşağıdaki şekilde gösterilen eğriye benzeyecektir.

Eğriyi yamuklara ayırmak mümkündür. Aşağıdaki şekilde bir yamuk gösterilmiştir:

Trapezoidal İntegrasyon Kullanarak Emilen Enerjinin Hesaplanması

Daha sonra her bir yamuğun alanını hesaplayıp bunları toplayarak toplam emilen enerjiyi bulabiliriz. Formül kısaca şu şekilde yazılabilir:

Burada Fi, i aralığındaki kuvveti, d ise her aralıktaki yer değiştirmeyi temsil eder; bu yer değiştirme, yer değiştirme verilerinden veya toplam yer değiştirmenin aralık sayısına bölünmesiyle bulunabilir (yukarıdaki formülde F0'ın 0 olduğunu belirtmek gerekir). Bizim durumumuzda, toplam yer değiştirme 300 mm ve 20 zaman aralığı vardır, bu da şu sonucu verir:

Dolayısıyla, toplam emilen enerjiyi şu şekilde hesaplayabiliriz:

Sonuçlar: Emilen Enerji ve SEA Hesaplaması

Enerji emici ünitemiz için EA değeri 9,8 kJ olarak hesaplanmıştır ki bu, hafif bir kaza için iyi bir değerdir.

346 gram kütleye sahip olan şu ürünlere sahibiz:

Bu da yapının hafif olduğunu gösteriyor.

Favg'ı şu şekilde de hesaplayabiliriz:

Ezme Kuvveti Verimliliğinin (CFE) Hesaplanması

Darbe emici malzemenin darbe enerjisini ne kadar sorunsuz bir şekilde yönettiğini değerlendirmek için Ezilme Kuvveti Verimliliğini (CFE) de hesaplayabiliriz.

44,7 N'luk başlangıç ​​tepe kuvvetiyle, CFE'yi hesaplayabiliriz:

0,73'lük bir CFE değeri kabul edilebilir olup, yapının darbenin büyük kısmını emdiğini ve yolcu güvenliğini sağladığını gösterir.

Çözüm

Abaqusaçık çözümleyicisini kullanarak ince duvarlı bir alüminyum enerji emicinin ezilme davranışını başarıyla modelledik ve analiz ettik. Sonuçlar, hem ezilme kuvveti verimliliği hem de özgül enerji emilimi için kabul edilebilir performans değerleri göstererek, iyi bir enerji emilimi ve yolcu güvenliğine işaret etti.

Gerçek otomotiv uygulamalarında, enerji emiciler hem geometri hem de malzeme açısından çok daha karmaşık olabilir. Kompozit malzemeler veya özel alaşımlar kullanmak ve ayrıca petek, kafes veya oksitik yapılar veya enerji emilimi için özel olarak optimize edilmiş diğer karmaşık geometrilerden yararlanmak, enerji emicilerin performansını önemli ölçüde artırabilir.

• Yazar
• Son Blog Yazıları

Khalegh Kouhi-Lakeh

KN Toosi Teknoloji Üniversitesi'nde Araştırma Asistanı

Khalegh Kouhi-Lakeh, KN Toosi Teknoloji Üniversitesi'nde Araştırma Asistanı ve sayısal modelleme ve mühendislik analizi alanlarında güçlü deneyime sahip bir simülasyon uzmanıdır. Araştırma ilgi alanları arasında hesaplamalı simülasyonlar, yapısal davranış analizi ve mühendislik araştırmalarında gelişmiş simülasyon araçlarının uygulanması yer almaktadır.

Khalegh Kouhi-Lakeh'in son yazıları ( tümünü gör )

• Abaqus Enerji Emicilerin Kırılması - 24 Aralık 2025