Zırhlı araçlarda güç paketi taşıyıcı yapının bilgisayar destekli yapısal analizi

Abstract

Günümüzün otomotiv endüstrisinde müşteri ihtiyaçlarının ve bu ihtiyaçları karşılamak için gerekli test maliyetlerinin artması üreticileri daha etkin mühendislik çalışmaları gerçekleştirmeye yönlendirmektedir. Bu doğrultuda askeri araç üreticileri personel güvenliği artırmak, araç üzeri sistem ve alt sistem parça dayanımını iyileştirmek ve binek araçlara göre çok daha yüksek olan test maliyetlerini düşürmek için tasarım ve tasarım doğrulama süreçlerine ziyadesiyle önem vermektedir. Bu tez çalışmasında motor, şanzıman ve transfer kutusunu taşıyan güç paketi taşıyıcı yapının, askeri bir aracın çalışma koşulları ve görev profilleri göz önünde bulundurularak tasarım ve bilgisayar destekli analizlerle incelenmesi anlatılmaktadır. Kaynaklı ya da döküm üretim yöntemi ile üretilmesi planlanan güç paketi taşıyıcı yapıda analiz sonuçlarına göre tasarım iyileştirmesi yapılmıştır. Tez çalışmasında ilk olarak literatür araştırmalarında benzer problemleri ele alan çalışmalar incelenmiş, araç üzerindeki parçaların hangi yüklere maruz kaldığı, bu yüklerin tespiti ve malzeme üzerine etkisinin nasıl incelendiği belirlenmiştir. Askeri bir aracın görev profilleri kapsamında yüksek sıklıkla karşılaştığı çarpma ve çukura girme senaryolarında görülen yükler için statik analizler gerçekleştirilmiştir. Statik analiz sonuçlarına göre yaklaşık 48 kg ağırlığındaki St52 malzemeden üretilmesi planlanan kaynaklı taşıyıcı yapıda çarpma senaryosunda 231MPa gerilme görülmüş olup yapı 1,53 emniyet katsayısına sahiptir. GGG50 malzemeden üretilmesi planlanan ve yaklaşık 46kg ağırlığındaki döküm taşıyıcı yapıda ise yine çarpma senaryosunda 122MPa gerilmeler görülmüştür ve yapı 2,62 emniyet katsayısına sahiptir. Titreşim altında sistemin rezonansa girip girmeyeceğinin anlaşılması için yapılan modal analizlerde ise iki üretim yöntemine göre tasarlanan taşıyıcı yapının da motorun tahrik frekansı olan 29 – 124 Hz aralığı dışında kaldığı görülmüştür. İncelenen iki yapının da sistem performansını karşılaması neticesinde maliyet, ağırlık ve güvenilirlik göz önünde bulundurularak döküm yapının tasarım iyileştirilmesine karar verilmiştir. Yapılan tasarım değişiklikleri ile taşıyıcı yapının ağırlığı 38kg'a düşürülmüş ve 8kg hafifletme sağlanmıştır. İyileştirilmiş nihai taşıyıcı yapıda gerçekleştirilen statik analizler neticesinde diğer yapıların aksine en yüksek gerilme çukura girme senaryosunda 192MPa olacak şekilde görülmüştür ve yapı 1,67 emniyet katsayısına sahiptir. Modal analizler kapsamında ise ilk altı rijit gövde modundan sonra yedinci modda doğal frekansın 214Hz olduğu görülmüştür. Bu değerin motor tahrik ferakansları dışında olmasından sistemin rezonansa girmeyeceği ve güvenli olacağı sonucu çıkarılmıştır.

In today's automotive industry, the increase in customer needs and the test costs required to meet these needs lead manufacturers to perform more effective engineering studies. Accordingly, military vehicle manufacturers attach great importance to design and design verification processes in order to increase personnel safety, improve on-vehicle system and subsystem component strength and reduce test costs which are much higher than passenger vehicles. In this thesis, the design and computer aided analysis of the power pack carrier structure carrying the engine, transmission and transfer case of a military vehicle, taking into account the operating conditions and mission profiles are explained. According to analysis results, a design improvement has been made on the power pack carrier structure, which is planned to be produced by welded or casting production method. In this thesis study, firstly, stuedies dealing with similar problems in literature research were examined; it has been determined that the parts on the vehicle are exposed to which loads, the determination of these loads and how their effects on the material are examined. Static analysis were carried out for the loads in crash and bump scenarios that a military vehicles encounter with high frequency within the scope of its mission profiles. According to the static analysis results of the welded carrier structure which is planned to be produced from St52 material weighing approximately 48kg, 231MPa stress was observed in the crash scenario and the structure has a safety factor of 1,53. For the cast carrier structure, which is planned to be produced from GGG50 material weighing approximately 46kg, 122MPa stress was observerd in the crash scerario and the structure has a safety factor of 2,62. In the modal analyzes carried out to understand whether the system will resonate under vibration, it has been observed that the carrier structure designed according to the two production methods is out of the range of 29 – 124 Hz, which is driving frequency of the engine. As the two structures examined meet the system performance, it was decided to improve the design of the cast structure by considering the cost, weight and reliability. With the design changes, the weight of the carrier structure has been reduced to 38kg and 8kg of lightening has been achived. As a result of the static analyzes carried out on the improved final carrier structure, unlike other structures, the highest stress was found as 192MPa in the bump scenario and the structure has a safety factor of 1,67. Within the scope of modal analysis, after the six rigid body modes, the natural frequency in the seventh mode was found as 214Hz. Since this value is out of the engine drive frequencies, it is concluded that the system will not resonate and will be safe.