Effect of Section Geometry and Material Type on Energy Absorption Capabilities of Crash Boxes

Yıl 2023, Cilt: 13 Sayı: 1, 42 - 51, 30.06.2023

Ertan Kösedağ , Devrim İşler

Öz

In this study, the energy absorption capabilities of crash boxes, which provide energy absorption during an accident in the automotive transportation sector, were investigated. For this purpose, crash boxes in two different materials and four different geometries, Al6063 and A36 steel, were designed. The effects of triangle, square, circular, and hexagon cross-section geometries and material type on energy absorption were investigated using the finite element method, provided that the cross-sectional areas remained the same. In order to minimize the effect of mesh size on the analysis results made with the finite element method, a mesh free preliminary study was performed. Then, crash boxes made of all different geometric sections and different materials were subjected to crash tests under the same boundary conditions. As a result of the analysis, damage patterns, force-time curves, and energies absorbed by crash boxes were obtained. According to these results, the order from the most energy absorbing to the least energy absorbing geometry is hexagon, circle, square, and triangle. The same results were obtained for both material types. Steel material showed about ten times more reaction force than aluminum material.

Anahtar Kelimeler

Crash box, Crashworthiness, Finite element method, Geometric section.

Kesit Geometrisinin ve Malzeme Tipinin Çarpışma Kutularının Enerji Emme Yeteneklerine Etkisi

Öz

Bu çalışmada, otomotiv sektöründe kullanılan ve meydana gelen bir kaza sırasında enerji absorpsiyonunu sağlayan çarpışma kutularının enerji absorpsiyon yetenekleri araştırılmıştır. Bu amaçla Al6063 ve A36 çelik olmak üzere iki farklı malzeme ve dört farklı geometride çarpışma kutuları tasarlanmıştır. Üçgen, kare, dairesel ve altıgen kesit geometrilerinin ve malzeme tipinin enerji absorpsiyonuna etkileri, kesit alanları aynı kalmak şartıyla sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan analiz sonuçlarında mesh boyutunun etkisini en aza indirmek için meshten bağımsızlaştırma ön çalışması yapılmıştır. Daha sonra farklı geometrik kesitlerden ve farklı malzemelerden oluşan çarpma kutuları aynı sınır şartlarında çarpışma testlerine tabi tutulmuştur. Analizler sonucunda, çarpışma kutuları tarafından emilen enerjil miktarları, hasar modelleri, kuvvet-zaman eğrileri elde edilmiştir. Bu sonuçlara göre en çok enerji yutan geometriden en az enerji yutan geometriye doğru sıralama altıgen, daire, kare ve üçgen şeklindedir. Her iki malzeme türü için de benzer sonuçlar elde edilmiştir. Çelik malzemenin, alüminyum malzemeden yaklaşık on kat daha fazla reaksiyon kuvveti gösterdiği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Çarpışma kutusu, Çarpışmaya dayanıklılık, Geometrik kesit, Sonlu elemanlar metodu

Kaynakça

• Aktay L, Çakıroğlu C, Güden M. Quasi-static axial crushing behavior of honeycomb-filled thin-walled aluminum tubes. The Open Materials Science Journal, 2011; 5: 184-193. 10.2174/1874088X01105010184
• Alghamdi A, Collapsible impact energy absorbers: an overview. Thin-Walled Structures, 2001; 39(2): 189-213. https://doi.org/10.1016/S0263-8231(00)00048-3
• Cerit E. Şehirler arası otobüslerde önden çarpışma enerjisini yutucu pasif güvenlik sisteminin geliştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Türkiye Odalar ve Borsalar Birliği Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 7-19, 2011.
• Demirci E, Yıldız A.R, Semerci F. Taşıtlarda önden çarpışma performansını etkileyen enerji yutucularının optimum tasarımı. 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Bursa, Türkiye. (2014, 26-24 Mayıs ).
• Elgalai A.M, Mahdi E, Hamouda A.M.S, Sahari B.S. Crushing response of composite corrugated tubes to quasi-static axial loading. Composite Structures, 2004; 66(1): 666-671. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2004.06.002
• Hou S, Li Q, Long S, Yang X, Li W. Multiobjective optimization of multi-cell sections for the crashworthiness design. International Journal of Impact Engineering, 2008; 35(11): 1355-1367. 10.1016/j.ijimpeng.2007.09.003
• Kılıç E. Araçlardaki Aktif ve Pasif Güvenlik Sistemleri. https://www.muhendis. tv/araclardaki-aktif-ve-pasif-guvenlik-sistemleri, Erişim Tarihi: 12.11.2021, 2018.
• Kosedag E, Ekici R. Low-velocity and ballistic impact resistances of particle reinforced metal–matrix composites: An experimental study. Journal of Composite Materials. 2022; 56(7): 991-1002. doi:10.1177/00219983211068101
• Kosedag E, Aydin M, Ekici R. Effect of stacking sequence and metal volume fraction on the ballistic impact behaviors of ARALL fiber-metal laminates: An experimental study, Polymer Composites, 2022; 43 (3): 1536-1545. https://doi.org/10.1002/pc.26474
• Langseth M, Hopperstad O.S. Static and dynamic axial crushing of square thin walled aluminium extrusions. International Journal of Impact Engineering, 1996; 18: 949-968. https://doi.org/10.1016/S0734-743X(96)00025-5
• Marzbanrad J, Mehdıkhanlo M, Pour A. An energy absorption comparision of square, circular, and elliptic steel and aluminium tubes under impact loading. Turkish Journal of Engineering and Enviromental Sciences, 2009; 33(1): 159-166. https://doi.org/10.3906/tar-1301-112
• Nagel G.M, Thambiratnam D.P, Dynamic simulation and energy absorption of tapered tubes under impact loading, International Journal of Crashworthiness, 2004; 9: 389-399. https://doi.org/10.1533/ijcr.2004.0298
• Peroni L, Avalle M, Belingardi G. Comparison of the energy absorption capability of crash boxes assembled by spot-weld and continuous joining techniques, International. Journal of Impact Engineering. 2009; 36: 498-511. 10.1016/j.ijimpeng.2008.06.004
• Samer, F., et al. 2013. Improvement of energy absorption of thin walled hexagonal tube made of magnesium alloy by using trigger mechanisms. International Journal of Research in Engineering and Technology. 2.10: 173-180.
• Şen Ş, Yaşar M, Koçar O. 2018. Dorse tasarımında stres dağılım analizi ve topoloji optimizasyonu, Karaelmas Fen ve Müh. Derg. 8(1):309-16.
• Tarlochan F, Samer F, Hamouda A.M.S, Ramesh S, Khalid K. Design of thin wall structures for energy absorption applications: Enhancement of crashworthiness due to axial and oblique impact forces, Thin-Walled Structures, 2013; 71: 7-17. https://doi.org/10.1016/j.tws.2013.04.003
• Yusof N.S.B, Sapuan S.M, Sultan M.T.H, Jawaid M, Maleque M.A. Design and materials development of automotive crash box: a review, Ciência & Tecnologia dos Materiais 2017; 29: 129–144. https://doi.org/10.1016/j.ctmat.2017.09.003