Cilt: 55 Sayı: 651 Mühendis ve Makina
51
Fatmagül Tolun, İlker Eren
MAKALE
Cilt: 55
Sayı: 651
50
Mühendis ve MakinaSTRUCTURE ANALYSIS OF LOWBED CHASSIS AND DETERMINATION
OF CRITICAL STRESS ZONE WITH FINITE ELEMENT METHOD
Fatmagül Tolun* Dr.,
Balıkesir Üniversitesi,
Balıkesir MYO, Otomotiv Bölümü, Çağış Kampüsü, Balıkesir ftolun@balikesir.edu.tr İlker Eren Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Çağış Kampüsü, Balıkesir ieren@balikesir.edu.tr
LOWBED ŞASİSİNİN SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE
YAPISAL ANALİZİ VE KRİTİK GERİLME BÖLGESİNİN
TESPİTİ
ÖZET
Karayolu taşıtları, ülkemizde ve dünyada en yaygın kullanılan taşımacılık şeklidir. Araçlarda kullanı-lan yakıt maliyetlerinin fazla olması; karayolu taşımacılığında, özellikle de uluslararası taşımacılıkta yarı römork tipi araçların kullanımını çoğaltmıştır. Bu araçlar ağır yükler ve düzensiz bir takım yol şartlarında kullanıldığı için belirli bir işletme süresi sonunda yapısal bazı problemler görülmektedir. Ortaya çıkan problemler genellikle kritik bölgelerde görülen gerilmeler ve bu gerilmelerin neden olabileceği hasarlardır. Bu nedenle şasi bağlantılarındaki gerilme ve deformasyon değerlerinin araştı-rılması ve oluşan problemlerin tasarım aşamasında giderilmesi önemlidir.
Bu çalışmada; lowbed şasisine statik yükler altında, sonlu elemanlar yöntemine göre yapısal analiz gerçekleştirilmiştir. Analiz sonucunda en yüksek gerilme değerlerinin ve deformasyonun; lowbed şa-sisinin geçiş bölgesinde meydana geldiği tespit edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Yarı römork, yapısal analiz, sonlu elemanlar yöntemi
ABSTRACT
Road vehicles are form of transportation which are used most widely in our country and the world. The high expenses of fuel use by vehicles have also increased the preference of semi-trailer vehicles in land transportation, especially in international transportation. Those vehicles are used under heavy loads and irregular road conditions therefore some structure problems can be seen after a running time. The emergent problems are often tensile stresses which are seen in the critical areas and damages which are caused by critical stresses. For this reason, investigating of stress and strain which consist on the chassis frame, and eliminate of the potential problems in the design stage is important. In this study, structural analysis according to the finite element method was carried out under statical loads in the lowbed chassis As a result of analysis; highest stresses and deformation was found in the transition zone of chassis.
Keywords: Semi trayler, structure analysis, finite elementh method
* İletişim yazarı
Geliş tarihi : 23.12.2013 Kabul tarihi : 24.03.2014
Tolun, F., Eren, İ. 2014. “Lowbed Şasisinin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Yapısal Analizi ve Kritik Gerilme Bölgesinin Tespiti,” Mühendis ve Makina, cilt 55, sayı 651, s. 50-56.
1. GİRİŞ
Y
arı römorklar, son yıllarda kara taşımacılığında bü-yük önem kazanmışlardır. Yarı römorklar taşıma bedellerini ucuzlattığı ve daha fazla yük taşıma im-kanı elde edildiği için; bilhassa uzak mesafelerde kamyon taşımacılığı römork taşımacılığı ile rekabet edememektedir. Bu nedenle personel ve işletme masraflarında büyük bir fark olmadan az bir yatırım ilavesi ile büyük nakliye şirketleri filo-larındaki yarı römorkları arttırmaktadırlar.Yarı römorklar genellikle uluslararası yollarda kullanılmak-tadırlar. Yük taşıma kapasitesini artırmak amacıyla ve ihtiyaç şekline yönelik olarak, farklı tip ve teknik ölçülerde üretil-mektedirler. Üretilen araçların pek çoğu standartlaştırılmıştır. Ayrıca; özel ihtiyaca yönelik olarak da taşınacak malzemenin cinsine ve konumuna göre, farklı tiplerde yarı römorklar imal edilmiştir.
Ağır yükler ve düzensiz bir takım yol şartlarında çalışan bu araçlarda, belirli bir işletme süresi sonunda yapısal bir takım problemler görülmesi olağandır. Ortaya çıkan problemler, genellikle kritik bölgelerde meydana gelen gerilme ve defor-masyon etkisi nedeniyle, zamanla oluşabilecek hasarlardır. Çalışmanın amacı; şasi bağlantılarındaki gerilme ve defor-masyon değerlerinin araştırılması ve tespit edilen kritik böl-gelerin güçlendirilerek, oluşabilecek problemlerin tasarım aşamasında giderilmesidir.
Fatmagül Tolun ve Sare Çelik; 2013 yılında yaptıkları çalış-mada, difüzyon kaynağı ile birleştirilmiş bakır ve porselen malzemelerin sonlu elemanlar yöntemine göre ANSYS prog-ramında; termal ve yapısal analizini araştırmışlardır. Analiz sonuçları ve deney sonuçları karşılaştırılarak, her iki malze-mede homojen ısı dağılımı sağlanana kadar deney esnasında ısıtma ve soğutma süreleri arttırılmıştır. Böylece malzeme-lerin farklı termal özellikmalzeme-lerinden kaynaklanan heterojen ısı dağılımı giderilmiştir [1]. Wei Duan, Suraj Joshi 2013 yılında yaptıkları çalışmada sonlu elemanlar yöntemi ile; üçgen ve yamuk dişli büyük ölçekli bağlantı çubuklarının montaj sıra-sındaki yapısal davranışlarını incelemişlerdir. Deneysel öl-çümlerin ve sonlu eleman analizlerinin uyum gösterdiği tespit edilmiştir [2]. Murat Makaracı, Süleyman Demir, Onur Bah-çacı 2013 yılında yaptıkları çalışmada; sonlu elemanlar me-todu kullanılarak direksiyon mafsalının bu zorlu çalışma ko-şullarındaki gerilme analizleri araştırmışlardır. Sonuç olarak tasarımı yapılan direksiyon mafsalının bu çalışma koşulların-da güvenli olduğu ortaya çıkmıştır [3]. Wang Ying, Ji Feng-li, Gao Song-song 2012 yılında yaptıkları çalışmada; farklı bakır ara bağlantı yapılarının sonlu elemanlar yöntemine göre ANSYS programını kullanarak; termal gerilmelerini incele-mişlerdir. İnceleme sonuçları göstermiştir ki sıcaklık arttıkça ısıl gerilme azalmaktadır [4]. Kadir Gök, Mustafa Aydın ve Arif Gök, 2012 yılında çapa makinesi bıçağı üzerine
uygula-nan 5 farklı yük altında meydana gelen gerilme ve deformas-yonları ANSYS programı kullanarak incelemişlerdir. Analiz-ler sonucunda bulunan gerilme değerinin malzemenin akma dayanımını aşmadığı ve bu değerden sonra malzemenin kalıcı olarak deformasyona uğrayacağı tespit edilmiştir [5]. Kemal Aldaş, Faruk Şen 2010 yılında, karma bağlantı uygulanmış farklı metal plakalarda meydana gelen gerilmeleri sonlu ele-manlar yöntemine göre ANSYS programında incelenmiştir. Alüminyum-alüminyum karma bağlantılardaki gerilmeler en düşük değerlerde oluşurken, en yüksek gerilmelerin alümin-yum-çelik karma bağlantılarda meydana geldiği görülmüştür [6]. 2007 yılında Fatmagül Tolun ve İlker Eren yaptıkları ça-lışmada lowbed yarı römork şasisine gerçek yol yükleri altın-da; meydana gelen gerilmeleri araştırmışlardır. Araştırmada lowbed şasisine; sonlu elemanlar yöntemine göre ANSYS programında yapısal ve ısıl yapısal analizler yapılmıştır. Ça-lışmanın sonucuna göre en yüksek gerilme ve deformasyon değerlerinin bağlantı bölgesinde olduğu tespit edilmiştir [7]. Çiçek Karaoğlu ve N. Sefa Kuralay 2006 yılında yaptıkları çalışmalarında kamyon şasilerinde kullanılan perçinli bağ-lantılardaki gerilme analizlerini sonlu elemanlar yöntemi ile incelemişlerdir. Perçinli bağlantıdaki gerilme değerinin bağ-lantının kalınlığı ve uzunluğuna göre değişeceği ve bağlantı levhasının kalınlığının değiştirilmemesi durumunda uzunlu-ğunun arttırılmasının iyi bir alternatif olacağı tespit edilmiştir [8]. Zafer Şenalp ve Yasin İhsan Bezer 2006 yılında yaptıkları çalışmalarında treyler şasinin bilgisayar destekli tasarımı ve sonlu elemanlar metodu ile yapısal analizini incelemişlerdir. ProEngineer kullanarak geometrik tasarımı yapılan konteyner taşıyıcı treylerin sonlu elemanlar metodu kullanarak, statik ve dinamik yükleme analizlerini yapmışlardır. Statik sonlu ele-manlar analizleri için ANSYS, dinamik analizler içinse, Ls- Dyna / Expilicit programları kullanılmıştır [9]. Murat Ereke ve Kubilay Yay 2006 yılında yaptıkları çalışmada, çift katlı otobüs gövdesinin bilgisayar destekli yapısal optimizasyonu-nu incelemişlerdir. Sonlu elemanlar yöntemine göre gerilme analizi yapılarak, maksimum gerilmelerin yerleri tespit edil-miştir. Oluşan maksimum gerilmelerin sınır değerleri aşıp aşmadığı kontrol edilerek, elde edilen sonuçlar değerlendiril-miştir [10].
2. MALZEME VE METOT
Lowbed yarı römork şasisinin yapımında ST 37.2 çelik mal-zeme kullanılmıştır. St 37.2 çeliğe ait yapısal özellikler Tablo 1’de, kimyasal özellikleri Tablo 2’de gösterilmiştir.
Çekme Mukavemeti
N/mm2 Akma Sınırı N/mm2 Kopma Uzaması%
340-470 215-235 26
Cilt: 55
Sayı: 651
52
Mühendis ve Makina Mühendis ve Makina53
Cilt: 55Sayı: 651Lowbed Şasisinin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Yapısal Analizi ve Kritik Gerilme Bölgesinin Tespiti Fatmagül Tolun, İlker Eren
Taşıtların imal edilmeden önce modellenmesi ve üzerine etki eden yüklerin etkilerinin incelenmesi çok önemlidir. Oluş-turulan tasarım, imal edilecek olan taşıtın modeli olacaktır. Bu analiz sayesinde; model imal edilmeden önce, çalışma koşullarında hasar meydana gelebilecek kritik bölgeler tespit edilerek, gerekli önlemler alınabilmektedir. Ancak, analizler sonucunda oluşturulan model şasinin imal edildikten sonra da, kendine etki eden yükler altında gerekli yapısal deneylere tabi tutulması şarttır ve ancak bu şekilde tasarım aşaması ta-mamlanacaktır.
Çalışmada; sonlu elemanlar yöntemine göre çözümlemeler yapan ANSYS programı kullanılarak, lowbed şasisinin; şasi-ye etkişasi-yen statik yayılı yük altında yapısal analizi gerçekleş-tirilmiştir. Şasiye etki eden statik yayılı yük; gerilme ve de-formasyon etkisi oluşturmaktadır. Sonlu elemanlar yöntemi ile bu etkinin hesaplanması büyük ölçüde kolaylaşmaktadır. Ayrıca; çözümlemeler sırasında, herhangi bir kabul veya ide-alleştirme yapılmadığından, sonuçlar güvenilir olmaktadır.
3. YAPISAL ANALİZ
3.1 Katı Modelin Oluşturulması
Çalışmada; ağır tonajlı araçları ve iş makinelerini taşımakta kullanılan ve bir firma tarafından üretimi gerçekleştirilmekte olan bir lowbed şasisi incelenmiştir. SolidWorks programın-da, şasinin 3 boyutlu katı modeli oluşturulduktan sonra, sonlu elemanlar yöntemine göre ANSYS programında, yapısal ana-lize tabii tutulmuştur. Analiz sonucunda; en yüksek gerilme-nin ve deformasyonun meydana geldiği kritik bölgeler tespit edilmiştir. Şekil 1’de lowbed şasisinin teknik resmi, Şekil 2’de şasinin 3 boyutlu katı modeli, Şekil 3’te şasinin geçiş
(deveboynu) bölgesi, Şekil 4’te şasinin ön mesnet (king pin) bölgesi görülmektedir.
3.2 Sonlu Elemanlara Ayırma
İlk önce katı modeli oluşturulan yapı; daha sonra sonlu ele-manlara ayrılmıştır. Sonlu eleman tipi olarak yapısal analiz-lerde tercih edilen Solid 92 eleman tipi seçilmiştir. Şekil 5’te Solid 92 eleman tipine ait şematik gösterim, serbestlik
yönle-ri, Şekil 6’da lowbed şasisinin sonlu elemanlara ayrılmış hali, Şekil 7’de deveboynu bölgesinin sonlu elemanlara ayrılmış hali ve Şekil 8’de king pin bölgesinin sonlu elemanlara ayrıl-mış hali görülmektedir.
3.3 Yapısal Analiz ve Sonuçların Değerlendirilmesi Lowbed şasisi, işletme durumundaki maruz kaldığı statik ya-yılı yükler ve mesnet şartları altında sonlu elemanlar yönte-mine göre, yapısal analize tabi tutulmuştur. SolidWorks prog-ramında modellenerek ANSYS programına aktarılan lowbed şasisi; meshlendikten sonra, arka aks bağlantısı ve ön king pin bağlantısı mesnet bölgelerinden tutularak sabitlenmiştir. Şasinin boyun bölgesinden, arka aks bölgesinin sınırını teş-kil eden çıkıntıyı sınır kabul eden bölge üzerine, 300 kN’luk düşey yayılı kuvvet uygulanarak yapısal analiz gerçekleştiril-miştir. Analizde kullanılan lowbed bir firma tarafından imal edilmektedir ve lowbedin istiap haddi 300 kN’dur. Bu neden-le analiz 300 kN’luk yükneden-leme koşullarına göre yapılmıştır.
C Si Mn P S N
0,19 - - 0,06 0,06 0,01
Tablo 2. St 37.2 Çelik Malzemeye Ait Kimyasal Özellikler
Şekil 1. Lowbed Yarı Römork Şasisinin Teknik Resmi
Şekil 2. Lowbed Yarı Römork Şasisinin 3 Boyutlu Katı Modeli
Şekil 3. Lowbed Yarı Römork Şasisinin Deveboynu Bölgesi
Şekil 4. Lowbed Yarı Römork Şasisinin King Pin Bölgesi
Şekil 6. Lowbed Yarı Römork Şasisinin Sonlu Elemanlara Ayrılmış Hali Şekil 5. Solid 92 Eleman Tipine Ait Şematik Gösterim, Serbestlik Yönleri
Şekil 7. Lowbed Yarı Römork Şasisinin Sonlu Elemanlara Ayrılmış Deveboy-nu Bölgesi
Şekil 8. Lowbed Yarı Römork Şasisinin Sonlu Elemanlara Ayrılmış King Pin Bölgesi
Cilt: 55
Sayı: 651
54
Mühendis ve Makina Mühendis ve Makina55
Cilt: 55Sayı: 651Lowbed Şasisinin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Yapısal Analizi ve Kritik Gerilme Bölgesinin Tespiti Fatmagül Tolun, İlker Eren
nen en yüksek gerilme değeri; 99,329 MPa’dır. Şekil 11’de, lowbed yarı römork şasisindeki maksimum eşdeğer gerilme-nin oluştuğu deveboynu bölgesi görülmektedir.
Yapısal analiz sonuçlarına göre; 99,329 MPa’lık eşdeğer ge-rilme değeri Şekil 11’den de belirgin olarak gözlemlenebil-mektedir. Bu değer deveboynu bölgesinin iç kısımlarındaki köşelerde ve çok az miktarda king pin bölgesinde meydana gelmiştir. İncelemeler sonucunda; şasi üzerindeki eşdeğer ge-rilme değerlerinin, 56 Pa ile 99,329 MPa aralığında değiştiği ve ilaveten deveboynunun maksimum eşdeğer gerilmeler açı-sından kritik bir bölge olduğu tespit edilmiştir. Şekil 12’de Şekil 9. Lowbed Şasisine 300 kN’luk Yayılı Yük Uygulaması
Şekil 10. Lowbed Yarı Römork Şasisindeki Yüklemeyle Oluşan Eşdeğer Gerilmelerin Şasi Yapısı İçindeki Dağılımı
Şekil 11. Lowbed Yarı Römork Şasisindeki Maksimum Eşdeğer Gerilmenin Oluştuğu Deveboynu Bölgesi
Şekil 9’da sabitlenmiş lowbed şasisine 300 kN’ luk yayılı yük uygulaması görülmektedir.
Şekil 10’da, yapısal analiz sonrasında tespit edilen Von Mis-ses gerilmelerinin (eş değer gerilmelerin) şasi yapısı içindeki dağılımı görülmektedir.
Şekil 10’dan görüldüğü üzere, yapısal analiz sonucunda lowbed şasisinde meydana gelen eşdeğer gerilme değerleri; 0,000056 MPa ile 148,99 MPa değerleri arasında değişmekte-dir. Ancak 148,99 MPa’lık eşdeğer gerilme değeri, deveboy-nunun iç kısmında ve gözle görülemeyecek kadar çok küçük bir lokal bölgede meydana gelmektedir. Belirgin olarak
izle-Şekil 12. En Yüksek Eşdeğer Gerilmenin Oluştuğu Deveboynu Bölgesinin Farklı Açıdan İncelenmesi
Şekil 13. Yapı Üzerinde Deformasyonun Yoğunlaştığı Bölgeler 300 kN'a eşdeğer
Cilt: 55
Sayı: 651
56
Mühendis ve MakinaLowbed Şasisinin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Yapısal Analizi ve Kritik Gerilme Bölgesinin Tespiti
deveboynu bölgesinin farklı açıdan incelenmesi görülmek-tedir.
Ayrıca 300 kN’luk yük uygulanması sonucunda lowbed şasi-sinin bazı bölgelerinde yapısal deformasyon tespit edilmiştir. Deformasyon miktarı x ekseni doğrultusunda 0 ile 10,632 mm aralığında değişmektedir. En yüksek deformasyonun şasinin yükün uygulandığı geniş bir bölümünde ve deveboynu böl-gesinde meydana geldiği ve x ekseni doğrultusunda 10,632 mm olduğu tespit edilmiştir. Yapı üzerinde deformasyonun yoğunlaştığı bölgelerin gözlendiği görünüm Şekil 13’ teki gi-bidir.
4. SONUÇLAR
• Lowbed yarı römork şasisi 300 kN’luk statik yayılı kuvvet etkisi altında iken yapılan yapısal analiz sonuçlarına göre; meydana gelen eşdeğer gerilme değeri 56 Pa ile 148,99 MPa değerleri arasında değişmektedir. Ancak en yüksek eşdeğer gerilme değeri olan 148,99 MPa, deveboynu böl-gesi üzerinde ve gözle görülemeyecek kadar çok küçük bir lokal bölgede meydana gelmektedir. Şasi üzerinde belirgin olarak izlenen eşdeğer gerilme değerleri; 56 Pa ile 99,329 MPa aralığında değişmektedir. Ve tespit edilen en yüksek eşdeğer gerilme değeri malzemenin akma sınırının çok al-tında bir değerdir.
• Yapısal analiz sonuçlarına göre; en yüksek eşdeğer geril-me değerleri şasinin deveboynu bölgesinin iç köşelerinde meydana gelmektedir.
• Yapısal analiz sonuçlarına göre; lowbed şasisinin bazı bölgelerinde yapısal deformasyon tespit edilmiştir. Defor-masyon miktarı x ekseni doğrultusunda 0 ile 10,632 mm aralığında değişmektedir.
• En büyük deformasyonun; lowbed şasisinde yayılı yükün uygulandığı bölümde ve deveboynu bölgesinde meydana geldiği tespit edilmiştir.
• Çalışmada kullanılan lowbed şasisi modeli imalatçı bir firma tarafından üretilen modeller arasından seçilmiştir. Şasinin ölçüleri ve malzeme özellikleri aslı ile aynı olacak şekilde seçilip, şasinin istiap haddi olan statik yayılı yük uygulanarak yapısal analiz gerçekleştirilmiştir. Bu neden-le; analiz sonucunda bulunan gerilme ve deformasyon de-ğerleri güvenilir olmaktadır.
• Analiz sonuçlarından faydalanılarak; özellikle en yüksek eşdeğer gerilme ve deformasyon değerlerinin tespit edil-diği bölgeler dikkate alınarak; gerekli güçlendirme yapı-lacaktır. Böylelikle ağır yükler ve düzensiz yol şartlarında çalışırken şaside oluşabilecek birtakım yapısal problemler tasarım aşamasında giderilecektir ve lowbed şasisinin daha uzun işletme ömrüne sahip olması sağlanacaktır.
• Analizler sonrasında en yüksek gerilme ve deformasyo-nun tespit edildiği bölgelerin güçlendirilmesiyle, çalışma koşullarında meydana gelebilecek ani hasarlar nedeniyle oluşabilecek kaza riskleri önlenecektir.
KAYNAKÇA
1. Tolun, F., Çelik, S. 2013. “Difüzyon Kaynağı ile Birleştiril-miş Bakır ve Porselen Malzemelerin Sonlu Elemanlar Yön-temi ile Termal ve Yapısal Analizleri,” Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, cilt 15, sayı 1, s. 92-104.
2. Duan, W., Suraj, J. 2013. “Structural Behavior of
Large-Scale Triangular and Trapezoidal Threaded Steel Tie Rods in Assembly Using Finite Element Analysis,” Engineering Fai-lure Analysis, no. 34, p.150-165.
3. Makaracı, M., Demir, S., Bahçacı, O. 2013. “Direksiyon
Aksonlarının Statik Hasar Analizi,” Apjes, sayı 1-2, s. 21-27
4. Ying, W., Feng-li, J., Song-song, G. 2012. “Finite Element
Analysis of Thermal Stress for Different Cu Interconnects Structure,” Microelectronics Reliability. no. 52, p. 2856-2860.
5. Gök, K., Aydın, M., Gök, A. 2012. “Sonlu Elemanlar
Yön-temi Kullanılarak Çapa Makinesi Bıçağının Statik Analizi,” Makine Teknolojileri Elektronik, cilt 9, no. 4, s.45-51.
6. Aldaş, K., Şen, F. 2010. “Karma Bağlantı Uygulanmış Farklı
Metal Plakalarda Meydana Gelen Gerilmelerin İncelenmesi,” Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, cilt 8, no. 2, s.1-12. 7. Tolun, F. 2007. “Yük Taşıyıcılarının Taşıyıcı Aksamlarının
Gerçek Yol Yükleri Altında Analiz edilmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
8. Karaoğlu, Ç., Kuralay, N.S. 2006. “Stress Analysis of
a Truck Chassis with Riveted Joints,” Finite Elements in Analysis and Design, sayı 38, s.1115.
9. Şenalp, A.Z., Bezer, Y.İ. 2006. “Treyler Şasinin Bilgisayar
Destekli Tasarımı ve Sonlu Elemanlar Metoduyla Yapısal Analizi,” Timak, Balıkesir, s. 558-569.
10. Ereke, İ.M. 2006. “Taşıt Modeli Geliştirmede Kullanılan İle-ri Tasarım Teknikleİle-ri,” Timak, Balıkesir, s. 27-34.
