Başlangıç > Mühendislik > NVH Analizleri Nelerdir? (Ben Ne İş Yapıyorum? – 4)

NVH Analizleri Nelerdir? (Ben Ne İş Yapıyorum? – 4)

             1. Yazı                             2. Yazı                                  3. Yazı

İnternet uçsuz bucaksız bir derya ama bu sonsuzluk, daha çok İngilizce dili ve genel konular için geçerli.  İngilizce harici bir dilde ve/veya spesifik konularda kaynak bulmak ya çok sınırlı ve yetersiz ya da imkânsız. Bunun telif hakkı, bilgi birikimini kendine saklamak, ekstra ve karşılıksız iş olması gibi çeşitli nedenleri var.

Ben bu konuda biraz farklı düşünüyorum. Bilginin paylaşarak artacağına ve bunun da bir tür yardım olduğuna inanıyorum. Daha önceki üç teknik yazımın bilhassa mühendislik öğrencileri arasında popüler olması bu yaklaşımımı doğrular nitelikte. Nitekim Türkçe dilinde mühendislik hakkında kaynak bulmak bile zor iken sanal ortamda daha da kısıtlı.

nvh

Son yazımda kabaca NVH’in ne olduğundan ve genel ilgi alanından bahsetmiştim. Bu yazıda biraz daha derine ineceğim. NVH analizlerine ve bir otomotiv şirketindeki önemi ile yerine değineceğim.

NVH kısaltması; ses (noise), titreşim (vibration) ve sertlik (harshness) kelimelerinden geliyor ve ses ile titreşimle ilgili konuları ifade ediyor. Sadece otomotivde değil; havacılık, uzay ve denizcilik sektörlerinde de NVH birimleri mevcut, hatta bu sektörlerde otomotivden daha önemli.

Analiz türlerine geçmeden kabaca bir otomotiv projesi aşamalarından söz etmem gerek. Her şey, bir otomotiv şirketinin pazarlama departmanının yeni bir ürün istemesiyle başlar 🙂 Yine pazarlama; istediği ürünün hangi kategoride olacağı (lüks, orta sınıf, hafif ticari, otobüs, minibüs, kamyon, vb.), hangi isterleri hangi oranda karşılayacağı (yakıt tüketimi, stil, dayanım, NVH, vb.) gibi belli kriterleri belirler ve proje yönetimi ekibine bunları sunar.

Proje yönetimi de bu isterlere uygun bir zaman takvimi, insan ihtiyacı (teknik olarak ‘adam-saat’ denir), gerekli şeyler (malzeme tedariği, testler, ek masraflar, vb.) tabloları hazırlar ve ilgili birimlere haber verir. Bu birimlerden biri de NVH özelinde NVH-CAE birimidir.  Son 1.5 yıldır şirketimde bu birimin tüm işlerini tek başına yürütüyorum ama (BMW, Volvo gibi) büyük şirketlerde apayrı NVH-CAE takımları vardır. (Hatta gövde, şasi ve motor gibi farklı komplere ait farklı NVH-CAE takımları olan şirketler mevcut.)

BULB_NVH

Bana bir proje isteği geldiğinde ilk sorduğum soru, projenin kapsamının ne olduğudur. Kendi şirketimden örnek vereyim, ‘genel kullanıma uygun ve sınıfında lider bir minibüs projesi’ (Şu an yolarda sıklıkla gördüğünüz Karsan Jest projesi böyle başladı mesela ve benim başlayıp bitirdiğim ilk projedir) denir bana ve ben de böyle bir proje için istediğim zamanı ve diğer şeyleri takım liderimle anlaşıp proje yönetimine iletirim.

Proje başında, daha analizlere başlamadan, pazarlama ve proje yönetiminden aldığım bilgiler doğrultusunda (rakiplerimiz neler, nasıl bir NVH isteniyor, NVH bu araç için ne kadar önemli, vb.) analiz hedeflerimi ilgili birimlere danışarak belirlerim. Çünkü NVH, tek başına değerlendirilen bir özellik değildir; dayanım, ağırlık, araç dinamiği gibi diğer araç özellikleriyle koordineli bir şekilde hedeflerinin hazırlanması gerekir.

Aracın ilk gövde datası hazırlandıktan sonra da analizlere başlanır. NVH analizlerinde en çok kullanılan sanal metot ‘sonlu elemanlar metodu’dur (FEM) ki ilk ve ikinci teknik yazılarım sadece bu metot üzerineydi. Aşağıda yazacağım çoğu analiz türü, bu metotla yapılmaktadır. Aksi bir durumu zaten belirtirim.

Global Rijitlikler

Rijitlik, bir şeyin bir kuvvete karşı gösterdiği dirençtir. Rijitliği ölçmek için bir kuvvet uygulanır ve sonucunda oluşan deplasman okunur. Bu deplasmanın uygulanan kuvvete oranı rijitliği verir.

chassis_tortional_rigidityBurulma rijitliği

Global statik rijitlik, aracın eğme veya burulma yükleri karşısındaki elastik deformasyon davranışını gösterir. Bir araç yolda giderken, yoldan gelen çeşitli kuvvetler (aynı ya da ters yönlü olabilir) aksın dönmesine sebebiyet verir. Aksın dönmesi de araç gövdesini eğmeye veya burmaya çalışan kuvvetler üretir. Global rijitlikler, aracın bu kuvvetler karşısındaki direncini niceliğe dökmeye yarar ve iki tanedir:

  • Burulma rijitliği (torsional stiffness) yapının aynı yönlü kuvvetlere karşı direnç kabiliyetidir.
  • Eğilme rijitliği (bending stiffness) yapının ters yönlü kuvvetlere karşı direnç kabiliyetidir.

Yüksek rijitliik aracın; sürüşünün iyileşmesine, yol tutuşunun artmasına, iç gürültünün azalmasına, tıkırtı-gıcırtıların en aza indirgenmesine ve taşıma kapasitesinin artmasına sebebiyet verir. Aslında yolcuyu direkt etkilemese de etkileyen birden fazla faktörle ilişkili olduğundan araçta ilk yapılan ve en temel NVH analizlerindendir. Burulma rijitliğine daha çok önem verilir, bazı firmalar eğilme rijitliğine bakmaz. Global rijitlikler ayrıca aracın rakipleri ile geliştirme süreci sırasındaki kendi versiyonları arasında karşılaştırma yapmak için kullanılır.

Modal Analiz ve Mod Ayrıştırma

Uzaydaki her cismin sonsuz tane doğal frekansı vardır. Bir cisim bir doğal frekansında, bir zorlanmış fonksiyon kuvveti tarafından uyarılırsa rezonansa girer, yani yapısal dinamik bir tepki verir. Bu tepki, belli genlik ve periyotlarda gerçekleştiğinden titreşim olarak algılanır. Cismin doğal frekanslarında verdiği tepkilere ‘modal şekil’ denir.

modalBasit bir cismin ilk 3 modal şekli

Bu davranışa verebileceğimiz en basit örnek depremdir. Depremde, yer altında oluşan bir titreşimin frekansı, binaların doğal frekansıyla çakıştığında bina rezonansa girdiğinden sallanmaya başlar. Tabii depremdeki titreşim, geniş bir frekans bandını taradığından rezonans kaçınılmazdır fakat binanın modal şekil genlikleri azaltılarak en az hasar görmesi sağlanabilir.

Benzer şekilde, her aracın da doğal frekansları ve bunlara bağlı modal şekilleri bulunur. Araç; motor ve güç organları, şasi, egzoz, yol, rüzgâr gibi araca kuvvet ileten çeşitli ortamlardan kuvvet alabilir. Bu kuvvet tekrarlıysa ve frekansı aracın doğal frekansıyla çakışırsa, araç da rezonansa girer ve istenmeyen bir titreşime yol açabilir.

Biraz olayın matematiksel boyutuna inersek ana denklemimiz doğal olarak hareket denklemidir, fakat modal analizde sönüm bulunmadığından denklemin ikinci kısmı atılır:

Mü + Ku = 0

Bu denklemde; M kütleyi, K rijitliği, u deplasmanı ve ü ivmeyi ifade eder. İkinci yazıda bahsettiğim üzere, modeldeki her bir nokta için bu denklem kullanılır. Bu denkleme harmonik çözüm eklersek, denklem şuna dönüşür:

(K – ω2M)φ = 0

Buna eigen denklemi (eigenequation) denir. ω açısal doğal frekansı (eigenvalue), φ modal şekli (eigenvector) ifade eder.

NVH-CAE’nin amaçlarından biri de aracın modal analizini yaparak aracın yapısal doğal frekanslarını ve modal şekillerini bulmaktır. Sonra da motor, şasi, egzoz, kabin içi hava gibi unsurların doğal frekanslarını temin ederek ve/veya analiz yapıp bularak bunların yapısal frekanslarla çakışmamasını sağlamaya çalışır.

Bunlardan en önemlisi yapısal modların, motorun rölanti çalışma frekansıyla çakışmamasıdır. Bu yüzden belli bir frekans aralığında (genelde 0-80 Hz) aracın tüm önemli modlarının bulunduğu bir tablo (modal alignment chart) hazırlanır. Bu tabloda hiçbir önemli modun birbirinin üstüne gelmemesi hedeflenir. Mesela aracın yapısal bir modu ile araç içi havanın (hava da bir madde olduğundan cisimdir ve belli bir şekli varsa doğal frekansları da vardır) modu çakışırsa, araç o frekansa geldiğinde “Booom” diye bir ses duyulur ve rahatsız edicidir. Bu gürültü problemi, sanal analizlerin yapılmadığı 2000’lerden önceki araçlarda sıklıkla görülmektedir.

FRF Analizleri

Frekans tepki fonksiyonu (frequency response function) aslında bir matematiksel dönüşümdür. Bir noktaya belirli bir frekans bandı boyunca etkiyen bir kuvvetin tahriği sonucu oluşan cevabı yine belirli bir frekans bandı boyunca ifade eder. Bu cevap; deplasmanın kuvvete oranı, hızın kuvvete oranı ve ya ivmenin kuvvete oranı şeklinde olabilir.

Frequency_response_exampleTek şemada FRF özeti

Analizler ya direkt ya da modal bazlı hesaplanır. Direkt olanda, hareket denklemi (bu sefer sönüm de var) belli bir frekansta çözülür. Modal bazlı olanda ise modal analiz çözümünden çıkan doğal frekans ve modal şekiller kullanılarak FRF hesabı yapılır.

FRF kullanılarak gövde duyarlılıkları bulunabilir. Gövde duyarlılığı, gövdeye bir kaynaktan bir kuvvet geldiğinde oluşan enerjinin nasıl dağılacağını ifade eder. Kuvvetle bu kuvvetin izleyeceği yoldaki duyarlılığın çarpımı bize tepkiyi verir. Buradaki tepki; motor, egzoz, şasi veya rüzgârdan gelebilir.

Bu sayede çeşitli parametreler hesaplanabilir. İlk ve en çok hesaplanan parametre, kaynak (yani kuvvetin araca girdiği) noktalarının rijitlikleridir. ‘Noktasal rijitlik’ (point stiffness) denilen bu analiz sayesinde, bu noktaların ne kadar dayanıklı olduğunun yanında bu noktalara takılan yay elemanlarının (mount, kauçuk, vs.) ne kadar sağlıklı çalıştığı gözlemlenir. Zaten hedef olarak da bu elemanların rijitliklerinin katları alınır. Kaç kat olacağı araca, noktanın önemine, pazarlamanın NVH isteğine göre değişir. Örnek olarak, binek araçların motor bağlantı noktalarında en az 5 kat alınır.

FRF ile titreşim duyarlılığı (vibration sensitivity) da hesaplanır, bu fonksiyona ‘vibration transfer function’ (VTF) denir. Bu parametre ile önemli kaynaklarda (motor, şasi, vb.) oluşan tepkileri yolcuların nasıl hissedeceği ifade edilir. Yolcular tepkileri; direksiyondan, vites kolundan, koltuklardan ve araç tabanından hisseder. Buralara tepki noktaları konularak o noktalardaki ‘mobility’ (V/F) ölçülür ve belli bir değeri (genelde 0.1 mm/s/N alınır) geçmemesine dikkat edilir.

Benzer şekilde ‘akustik duyarlılık’ (acoustic sensitvity) hesaplanır, bu fonksiyona da ‘noise transfer function’ (NTF) denir. Bu sefer, kaynaklarda oluşan tepkilerin yolcu kulağında oluşturduğu ses basınç düzeyi hesaplanır. Tabii bu analiz için kabin içi kavite modeli de hazırlanarak gövde ile arasındaki bağlantı kurulmalıdır ki biraz uzmanlık isteyen bir konudur.

FEM’in modal analiz ve FRF hesaplamalarında 400 Hz’e kadar güvenilir sonuçlar verebildiği mutlaka akılda tutulmalıdır. Oysa insanlar 20-10000 Hz arasındaki titreşim ve sesleri duyabilmektedir. 400-10000 Hz arası için en yaygın kullanılan sanal metot ‘istatiksel enerji analizi’dir (statistical enerji analysis – SEA). Bu metodun mantığı, FEM’den tamamen farklıdır ve enerjinin korunumu ile iletimi denklemlerini kullanarak ses basınç düzeyini hesaplar. SEA, ileri derece NVH analizidir ve teknik altyapı ile deneyim ister. (SEA üzerine yazım için tıklayın.)

seaBir binek aracın SEA modeli

Lokal Analizler

Çok genel bir ad koysam da gayet çeşitli ve zorluğu değişen analizlerdir. En basit olanı braket analizleridir. Önemli bir parça taşıyan braketlerin ilk doğal frekans değeri ve bu frekanstaki FRF genliği kontrol edilir. Bazı ciddi tedarikçi firmaları araçta kullanılan ürünlerinin garantisini bozmamak adına hedef değerleri kendi verir, hatta braketin öyle tasarlanmasını şart koşar.

Egzoz sisteminin askı bağlantı nokta lokasyonlarını optimize etmek ve fazla enerjili modların motor rölantisiyle çakışmasını engellemek için birbirlerini takip eden ayrı modal analizler gerçekleştirilmelidir.

Ayrıca ses iletim katsayısı hesabı (sound transmission coefficient calculation), transfer patika analizi (transfer path analysis), ışımalı ses analizi (radiated sound analysis) ve rotor dinamiği (kompleks modal analiz) gibi ileri derece NVH analizleri vardır. Bunlar oldukça spesifik, komponent bazlı analizlerdir ve ilgili komponent değerlerinin kontrolüne yarar ki genelde bu değerler teorik alınır. Ancak büyük şirketler bu analizlere yönelir. Zaten mevcut yazılımların çok azının bunlara özel modülü vardır. Hatta Actran gibi bu analizlere yönelik yazılımlar bile mevcuttur ama kullanımı kısıtlıdır.

Yukarıda bahsettiğim tüm analizler, fiziki test sayısını azaltmak ve aracın prototipi üretilmeden en fazla şekilde modeli optimize etmek için yapılan sanal testlerdir. Hepsi sonuçta gerçek hayatın birer kabulüdür. Bu kabulün ne kadar olduğu analiz türüne, modelin kendisine, kullanıcının deneyimine göre değişkenlik gösterir. %1’den %50’ye kadar hata payı değişebilir. Bu yüzden analizlerin akabinde gerçek testlerin gerçekleştirilmesi ve sonuçların analizlerle karşılaştırılması; olası hataların bulunması, modelin doğrulanması ve kullanıcının kendini geliştirmesi için çok önemlidir.

NVH-AnalysisBir binek aracın FEM modeli (gövde + camlar + iç kavite)

Çok basit analizler hariç test imkânı olmadan gerçekçi bir analiz yapmak olası değildir. Teorik kitaplarda ve akademik hayatta her şey ideal veya ideale yakın olsa da gerçek hayatta ideal diye bir şey yoktur! (Bu husus hayatın her alanında geçerlidir zaten.) En azından malzeme testi yapılması gereklidir. İleri NVH analizlerinde analize girdi sağlamak için birden fazla test yapılması ve hatta özel test düzeneği kurulması bile gerekebilir ki oldukça maliyetlidir.

Son olarak, bana çok sorulan bir soruya değineyim: Tüm bu yazdıklarımı ben 5 yılda öğrenebildim (bu da yeterli değil ayrıca) ki ondan önce de 1.5 yıllık FEM deneyimim vardı ve bahsettiğim deneyim kitap, ders, kurs, eğitim deneyimi değildir! Analiz yapmayı ve yorumlamayı, eğitim görerek ve birkaç örnek problem (tutorial) çözerek öğrenemezsiniz. Gerçek projelerde çalışmalı, aynı zamanda makaleleri takip etmeli ve bolca hata yapmalısınız (tabii bu hataları fark ederek ders almalısınız)! Maalesef ülkemizde neredeyse herkes, bilgisayarda tek tuşa basarak tüm analizlerin yapılacağını sanıyor ya da bir ayda tüm programı öğrenebileceğini sanıyor. Herhangi bir CAE programını 1-2 yılda öğrenemezsiniz, 4-5 yılda ancak hakim olmaya başlarsınız ki bu sektörde öğrenmenin sonu yoktur. Çünkü hızla gelişen, güncellenen ve yenilenen bir sektördür.

NOT: Fotoğraflar tamamen jeneriktir. Çalıştığım şirket ve projelerle ilgili değillerdir.

Reklamlar
  1. Alper
    Ocak 6, 2016, 10:04 pm

    Artun Bey merhaba. FEA hakkındaki yazı diziniz için çok teşekkürler. Benim için çok faydalı bir kaynak oldu. Size bu konu hakkında birkaç soru sorabilir miyim?

    • Ocak 6, 2016, 10:14 pm

      Tabii ki.

      • Alper
        Ocak 6, 2016, 10:19 pm

        Bu hızlı dönüşünüz için çok teşekkürler 🙂 Artun bey ben bu konuda çalışmaya aşırı derecede istekliyim. (Hatta ilk aşamada ücret almamak bile kabulüm 🙂 Bu alanda kitaplar okuyorum, tezleri inceliyorum şimdilik Ansys hakkında ancak temel sayılabilecek bir bilgim var. Eminim ki profesyonel bir uygulamada yetersiz kalacağım. Şimdi bu durumda iken bu konuda çalışan bir firmaya girme şansım nedir? Onlara nasıl ulaşıp derdimi anlatırım.
        Açıkcası ne istediğimi biliyorum ama izleyeceğim yolu bilemiyorum. Yardımcı olursanız sevinirim tekrar teşekkürler.

  2. Alper
    Ocak 31, 2016, 5:06 pm

    Artun bey, dönüş yapabilirseniz çok sevirim.

    • Ocak 31, 2016, 5:32 pm

      Alper Bey, ilgili firmalara başvuracaksınız. Sonrasında deneyim kazanıp ilerleyeceksiniz. Maalesef size bunun dışında bir yardımda bulunamam. Derdinizi en iyi mülakatta anlatacaksınız, şartlar elverirse de işe girecekseniz. Ben dahil herkes aynı yollardan geçiyor. (Torpil filan olmazsa tabii) Ben mesela sayısını unuttuğum kadar mülakata girdim.

      • Alper
        Ocak 31, 2016, 6:31 pm

        Anlaşılan iş biraz da şansa kalıyor. Peki bu şartları daha elverişli hale getirmem için önerileriniz var mı?

      • Ocak 31, 2016, 7:10 pm

        Herkese önerdiklerim: İyi bir İngilizce, Office programlarına hakim olmak, insan ilişkileri uygun olmak ve kendin olmak

  3. Alper
    Ocak 31, 2016, 9:20 pm

    Sağol abi. Yardımın için teşekkürler.

  4. ahmet çay
    Şubat 9, 2016, 10:28 pm

    teşekkürler.. fem dersini aldığım şu günlerde iyi bir özet oldu. derse olan ilgim arttı sayenizde.

  5. Alper
    Şubat 16, 2016, 6:55 pm

    Artun bey, siz orada çalıştığınız için soruyorum. Figes’in Ansys kursları nasıldır? Önerir misiniz?

    • Şubat 16, 2016, 9:18 pm

      Metaryel olarak sabit zaten ama şu an kursu kim veriyor bilmiyorum, o yüzden yorum yapamayacağım.

      • Alper
        Şubat 17, 2016, 7:32 pm

        Teşekkürler. Peki sadece iki gün bu eğitim için yeterli mi? Bize birşeyler katar mı sizce?

      • Şubat 20, 2016, 10:31 pm

        Analiz nedir, nasıl yapılır, nelere kadirdir onu görürsünüz. Ama bu kadar. Bu eğitimi alınca FEM’i tamamen öğrenmiyorsunuz, o deneyim ister.

  6. Görkem
    Aralık 16, 2016, 12:43 am

    İyi günler,bir makine mühendisi adayı olarak son bir kaç aydır ”Sonlu Eleman Analizi” üzerine internette araştırma yapıyordum fakat bulduğum tek türkçe kaynak sizinkisi oldu.
    Bu yüzden teşekkür ederim.
    Ancak bu tarz programlar (CAD, CAM, CAE) birkaç ayda öğrenilemez,birkaç yılda da ancak hakim olunur demişsiniz.
    Ben bir öğrenci olarak nereden başlamalıyım?
    Ne yapmalıyım bu tarz yazılımlar konusunda?
    Yardımcı olursanız çok sevinirim, tekrar teşekkürler.

  7. Usame
    Eylül 24, 2017, 9:29 pm

    Dört yazı içinde teşekkürler. Eline sağlık.

  1. Ağustos 7, 2015, 11:42 am
  2. Ağustos 7, 2015, 11:46 am
  3. Ağustos 7, 2015, 11:50 am
  4. Eylül 26, 2017, 11:31 am

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Connecting to %s

%d blogcu bunu beğendi: