ULTRA LF12 ELEKTRİKLİ ŞEHİR İÇİ OTOBÜS GÖVDE DESTEK BRAKETLERİNİN TOPOLOJİ OPTİMİZASYONU İLE EN İYİLEŞTİRİLMESİ
ABSTRACT
With the development of the automotive industry, many companies in the automotive industry have focused on new research to increase the energy efficiency of vehicles. Such studies carried out in the automotive sector are an important step towards a sustainable transportation system and enable the goal of leaving a cleaner world to future generations by reducing environmental impacts. Optimization methods were used to use the material distribution of the completed parts in the vehicles in the most appropriate way. Designed parts; Optimal use in terms of size, shape and topology has been achieved through structural optimization. Structural optimization is defined as finding the most appropriate (most efficient, most economical or safest) geometry of a structure operating under various operating conditions that meets certain constraint functions (such as material amount, natural frequency, stiffness).
In this context, the design of brackets with various functions used in joining the side body and ceiling of the ULTRA LF12 electric city bus was carried out in the CATIA program. The designed bracket was successfully implemented using the Topology Optimization module in the ANSYS program, which increased the energy efficiency by reducing the total weight of the vehicle. ANSYS program analyzes play a major role in design processes and reduce production costs. During the mitigation process, it is of great importance to consider a minimum safety coefficient of 1.5 times to ensure that the changes made to the vehicle comply with safety standards. Thus, it is aimed to increase the range of the ULTRA LF12 Electric City Bus with less energy and to make it a safer and more efficient means of transportation.
Keywords: Structural Optimization, Topology Optimization, Body Support Bracket, Optimization.
ÖZET
Otomotiv sektörünün gelişmesiyle birlikte, otomotiv sektöründeki birçok firma araçların enerji verimliliğini arttıracak yeni araştırmalara odaklanmıştır. Otomotiv sektöründe yapılan bu tür çalışmalar, sürdürülebilir bir ulaşım sistemine doğru önemli bir basamak olup, çevresel etkileri azaltarak gelecek nesillere daha temiz bir dünya bırakma hedefine olanak sağlamaktadır. Araçlarda tasarımı tamamlanan parçaların malzeme dağılımının en uygun biçimde kullanılması için optimizasyon yöntemlerine başvurulmuştur. Tasarlanan parçaların; boyut, şekil ve topoloji olarak en iyi halde kullanılması yapısal en iyileştirme ile elde edilmiştir. Yapısal en iyileştirme, çeşitli çalışma koşulları altında iş gören bir yapının, belirli kısıt fonksiyonlarını (malzeme miktarı, doğal frekans, rijitlik gibi) karşılayan en uygun (en verimli, en ekonomik veya en emniyetli) geometrisinin bulunması olarak tanımlanmıştır.
Bu bağlamda ULTRA LF12 elektrikli şehir içi otobüsün yan gövde ve tavan birleştirmesinde kullanılan çeşitli görevlere sahip braketlerin tasarımı CATIA programında gerçekleştirilmiştir. Tasarımı yapılan braketin ANSYS programında Topoloji Optimizasyonu modülü kullanılarak başarılı bir şekilde uygulanmıştır, bu da aracın toplam ağırlığını azaltarak enerji verimliliğini artırmıştır. ANSYS programı analizleri tasarım süreçlerinde büyük rol oynayarak üretim maliyetlerini de azaltmaktadır. Hafifletme sürecinde, minimum 1,5 kat güvenlik katsayısının göz önünde bulundurulması, araçta yapılan değişikliklerin güvenlik standartlarına uygunluğunu sağlamak için büyük önem taşımaktadır. Böylelikle ULTRA LF12 Elektrikli Şehir İçi Otobüsün daha az enerji ile menzilinin artması, daha güvenli ve verimli bir ulaşım aracı haline getirilmesi hedeflenmiştir.
Keywords: Yapısal Optimizasyon, Topoloji Optimizasyonu, Gövde Destek Braketi, En iyileştirme.
GİRİŞ
Günümüz otomotiv endüstrisinde bilgisayar destekli tasarım ve analiz programlarının yaygın bir şekilde kullanılmasıyla tasarım ve imalat proseslerinde rekabet artmıştır. Rekabet koşullarının artmasıyla birlikte tasarım ve üretim sürecinin hızlanması firmalar için bir üstünlük sağlamaktadır. Ancak; günümüz koşullarında tasarımların dayanıklı olması üstünlük sağlamak için yeterli bir özellik olarak görülmemektedir. Dayanıklı tasarımlarla birlikte hafif ve maliyet bakımından daha uygun olan tasarımların yapılması gerekmektedir. Tasarımın malzemesini değiştirerek tüm bu koşulların sağlanması mümkün olduğu gibi sadece belirli optimizasyonlar yapılarak en uygun tasarım elde edilebilmektedir.
Son yıllarda otomotiv sektöründe ekolojik uygulamaları destekleyen hibrit, elektrikli ve yakıt hücreli araçların piyasaya sunulmasına ek olarak; bu eğilimler, ağırlığın ve maliyetin azaltılması, performansın ve enerji sarfiyatının iyileştirilmesi gibi ek uygulamalarla desteklenmektedir. Araçların tasarımını optimize etmek için güvenlik açığı oluşturulmadan optimizasyon çalışmaları yapılmaktadır. Bu bağlamda son zamanlarda ticari araçların optimizasyonuna yönelik çalışmalar ortaya çıkmıştır.
Güvenlik, yakıt tüketimi gibi verilen performans hedefleri açısından araç ağırlığını azaltılmasının son derece yararlı olduğu görülmüştür. 1300 kg ağırlığında bir otomobilde 100 kg ağırlık azaltıldığında, 100 km’de 0.35 lt yakıt tasarrufu ve 8.4 g CO2/km egzoz emisyonunda azalma sağlanmaktadır. Başka bir ifadeyle, 100 km’de egzoz emisyonunu 1 g CO2/km azaltmak için otomobilin ağırlığı yaklaşık olarak 12 kg azaltılmalıdır (Meyer-Pruessner,2007).
MATERYAL VE METOD
Model, Yük Tanımları ve Sınır Şartlarının Belirlenmesi
ULTRA LF12 elektrikli şehir içi otobüsün, gövde destek braketlerinin optimizasyon çalışmasında söz konusu braketlere etki eden yük sadece aracın tavan bölgesinden gelmektedir. Braketleri sabitlemek için ise aracın sağ- ve sol yan gövdeleri analize dahil edilmiştir. Sınır şartları şasi bağlantı noktalarından verilmiştir. Modelleme yapılırken; araç Shell data olarak modellenmiştir. Bunun amacı yapılan analizin daha gerçeğe yakın sonuçlar vermesini sağlamaktır. Brakete etkiyen yükler Şekil 1’ de oklarla gösterilmiştir. Bu yükler Point Mass olarak belirlenmiştir. Etki oluşturacak yük değerleri Tablo1 ‘de verilmiştir.
Şekil 1. Brakete Etkiyen Yükler
Tablo 1. Etki Oluşturacak Yük Değerleri
| Yük Tanımı | Kütle (kg) | Adet | Toplam Kütle (kg) |
| Batarya | 250 | 6 | 1500 |
| Klima | 456 | 1 | 456 |
| Soğutucu | 70 | 1 | 70 |
| Toplam | 2026 |
Braketin malzemesi St-37 olarak belirlenmiştir. St-37 malzemesinin mekanik özellikleri Tablo 2’de verilmiştir.
Tablo 2. ST-37 Malzemesi Mekanik Özellikleri
| Elastise Modulü (GPa) | Yoğunluk (kg/m3) | Poisson Oranı | Kayma Modulü (GPa) | Akma Gerilmesi (GPa) |
| 210 | 7850 | 0.3 | 73 | 0.25598 |
Sonlu Elemanlar Ağ Yapısının Oluşturulması
Bir önceki bölümde bahsedilen sınır şartları ve yük tanımlamalarıyla araç modellemesi oluşturulduktan sonra Share Topoloji özelliği kullanılarak kaynaklı profillerin mesh yapısının birbirlerine bağlı olması sağlanmıştır. Bu yöntemle; çözüm sürecinde deformasyon ve stres aktarımında daha doğru sonuçların elde edilmesi amaçlanmıştır. Mesh yapısında programın ‘body sizing’ özelliği kullanılmıştır. Mesh boyutları profiller için 10mm, topolojisi yapılacak olan braketler için ise daha detaylı incelemenin yapılması amacıyla 5mm olarak belirlenmiştir. Bu bağlamda sonlu elemanlar ağ yapısının toplam eleman sayısı 1194449, toplam düğüm sayısı ise 1186979 olarak sonuçlanmıştır. Gövde mesh yapısı Şekil 2’de, braket mesh yapısı ise Şekil 3’ de verilmiştir.
Şekil 2. Gövde Mesh Yapısı
Şekil 3. Barket Mesh Yapısı
Yük Altındaki 5 mm Kalınlığındaki Braket Analizi
Stres sonuçları incelendiğinde, en çok stres yoğunluğunun araç bataryalarının bulunduğu bölgedeki yükü taşıyan braketlerde olduğu gözlemlenmiştir. Bu gözlem sonucunda en çok gerilmenin olduğu braketin incelenmesi ve ileri seviyelerdeki iyileştirmelerin bu braket üzerinden yapılması önem arz etmektedir. Braket incelendiğinde maksimum gerilmenin 150 MPa seviyelerinde olduğu görülmüştür. Analiz sonuçları Şekil 4’ de verilmiştir.
Bu verilere dayanarak mevcut tasarımın dayanımda olduğu söylenebilmektedir. Mevcut tasarımın ağırlığı 1,78 kg olarak tespit edilmiştir. Optimizasyon çalışmalarına et kalınlığını düşürerek devam edilmiştir.
Şekil 4. Kalınlığı 5mm (Mevcut) Tasarımın Analiz Sonucu
Yük Altındaki 3 mm Kalınlığındaki Braketin Analizi
Mevcut tasarımda 5mm olan et kalınlığı 3mm olarak değiştirilmiştir. Bu değişimin stres sonuçları incelendiğinde maksimum gerilmenin 200 MPa civarlarında olduğu görülmüştür. Ancak kullanılan St-37 malzemenin akma dayanımı 255 MPa değerindedir. Statik analiz sonuçlarında çıkan 200 MPa değerinin sürekliliği olmadığı gözlemlenmiştir. Görselde verilen analiz sonuçlarında 200 MPa değerinin çevresi incelendiğinde ise 150 ila 180 MPa civarlarında değerlerin çıktığı görülmüştür. Optimizasyon çalışmalarına yapılan iki analizin sonuçları değerlendirilip topoloji optimizasyonu yapılarak tasarım değişikliği ile hafifletme çalışması yapılacaktır. 3mm et kalınlığındaki tasarımın ağırlığı 1.072 kg değerindedir. Şekil 5’ de analiz sonuçları verilmiştir.
Şekil 5. Kalınlığı 3mm Tasarımın Analiz Sonucu
Yük Altındaki 3.5 mm Kalınlığındaki Braketin Analizi
Optimizasyon çalışmalarına 3 mm olan et kalınlığı 3,5 mm ye artırılarak devam edilmiştir. Ayrıca topoloji optimizasyonu sonucu elde edilen verilere göre uygun alanlarda boşaltmalar yapılarak parçanın hafiflemesi sağlanmıştır.3.5 mm et kalınlığındaki tasarımın ağırlığı 1.0429 kg değerindedir. Şekil 6’ da analiz sonuçları verilmiştir.
Şekil 6. Kalınlığı 3.5mm Tasarımın Analiz Sonucu
SONUÇLAR ve TARTIŞMA
Bu çalışmada, ULTRA LF12 elektrikli şehir içi otobüsün gövde destek braketinin sonlu elemanlar analizi ile hafifletilmesi ve optimizasyonu ile en iyileştirme çalışması yapılmıştır. Aracın yan gövde ve tavan bölgelerine kaynatılarak destek görevi gören ve aynı zamanda komponentlerin montajında kullanılan bu parça, araçta işlevsellik bakımından önemlidir. Yapılan çalışmalarda bu işlevsellik bozulmadan, ST-37 malzemesi kullanılarak parçanın optimize tasarımı yapılarak bu tasarım, sınır şartları ve regülasyonlar değişmeksizin sonlu elemanlar analizine tabi tutulmuştur.
Mevcut durumda 5mm kalınlığa sahip braket üzerinde maksimum gerilmenin 100 MPa seviyelerinde olduğu görülmüştür. Bu verilere dayanarak mevcut tasarımın dayanımda olduğu söylenebilmektedir. En iyileştirme çalışması kapsamında braketin optimize tasarımını elde edebilmek için kalınlığı düşürülmüş brakete topoloji optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. İlk olarak braketin kalınlığı 3mm değerine düşürülerek analiz çalışmaları yapılmıştır.
Kullanılan St-37 malzemenin akma dayanımı 255 MPa değerindedir. Şekil 6’ da verilen analiz sonuçlarında maksimum gerilmenin 167 MPa seviyelerinde çıktığı görülmüştür. Bu değerler ile güvenlik katsayısı 1,52 değerine ulaşmıştır. Bu değerin sınırda olması sebebiyle braket 3,5 mm kalınlığa çıkarılıp topoloji optimizasyonu yapılarak gerilme değeri 146 MPa seviyelerine ulaşmıştır. Böylelikle güvenlik katsayısı 1,75 değerine yükselerek 3,5 mm braketin en iyileştirme çalışması kapsamında uygun tasarım olduğu kararına varılmıştır.
Yapılan bu çalışmada araç üzerinde bulunan toplam braket sayısı 13 adettir. Mevcut durumdaki 23,14 kg olan toplam braket ağırlığı yapılan en iyileştirme çalışmaları sonucunda toplam braket ağırlığı 13,55 kg değerine gerilemiş olup toplamda 9,6 kg hafifletme yapılmıştır.
SONUÇ
Elde edilen analiz sonuçlarına göre, braketin işlevselliği bozulmadan ve güvenlik katsayısı değerinin korunması için en iyileştirme çalışması kapsamında optimize kalınlığı3.5 mm olduğu görülmüştür.
TEŞEKKÜR
Bu çalışmadaki destekleri için Ulaşım İç ve Dış Ticaret ANONİM Şirketi’ne teşekkür ederiz.
KAYNAKÇA
Kahraman, F. Küçük, M. (2020). Otomotiv Endüstrisinde Topoloji Optimizasyonu ile Ağırlık Azaltma Uygulaması Üzerine Bir Araştırma. Avrupa Bilim Ve Teknoloji Dergisi (20), 623-631.
Yiğit, O. (2019). Çift Yönlü Evrimsel Topoloji Optimizasyonu Yöntemiyle ile Bir Motor Braketinin Doğal Frekanslarının En İyileştirmesi. Yüksek Lisana Tezi. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul
Akbaş, Y. Topology Optimization and Stress Analysis of Fuselage Brackets. Yüksek Lisana Tezi. Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara
Aktürk, V. Baha, A. (2024) Akia Ultra LF12 Aracın Koltuk Braketlerinin Topoloji Optimizasyonu ile Hafifletilmesi. 14. Uluslararası Uygulamalı Bilimler Kongresi. 8-16, Gaziantep
Kılıç, A. (2024). Paletli Bir Araçta Bulunan Bir Faydalı Yük Braketinin Topoloji Optimizasyonu ile Tasarımı ve Analizi, Yüksek Lisana Tezi. Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir
Gilan, Ö. Özcan, A. (2023). Şehir içi Otobüslerde Kullanılan Amortisör Bağlantı Braketinin Malzeme Karşılaştırması. 12. Uluslararası Mühendislik Mimarlık ve Tasarım Kongresi Bildiri Kitabı, 1157-1161, 2023
Kumar, K. H. Akilan, S. Reddy, K. J. (2023) Topology Optimization of Engine Mounting Bracket. Materials Today: Proceedings
Karamert, S. Demir, A., (202) Ticari Otobüs Gövde Yapısında Topoloji Optimizasyonu Çalışması. International Journal of Advances in Engineering and Pure Sciences, 34 (2):229-234
SUT, M. (2019) Biyel Bağlantı Kolunun Statik Analizi ve Optimizasyonu. Düzce Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Düzce
