OTEKON 2014 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26 – 27Mayıs 2014, BURSA ÖN CAM VE TAVAN KOMPOZITININ OTOBÜS DEVRILME DAVRANIŞINA ETKILERININ İNCELENMESI M. Alper Aslan Otokar Otomotiv ve Savunma Sanayi A.Ş., Sakarya ÖZET Otobüsle seyahat gerek kaza adedi gerekse ölümler dikkate alındığında güvenli gözükse de, ülkemizdeki kullanım oranları düşünüldüğünde güvenliği arttırıcı yönde yapılacak her türlü çalışmanın fayda getireceği açıktır. Otobüslerde yaralanma riskinin en yüksek olduğu kaza tipi devrilme şeklinde olmaktadır. AB ülkelerinde 1987'den beri yürürlükte olan ECE R66 regülasyonunun gerektirdiği bir zorunluluk olan devrilme performansının kontrolü, ülkemizde 2001/85/AT'ye uygun olarak imal edilmiş araçlara uygulanmaktadır. Bu regülasyona tâbi olan araçlar bir platformdan aracın bir yanına doğru devrilmektedir. Devrilme sonucunda yan direklerin, araç içerisinde oluşturulacak olan yaşam mahaline girmemesi öngörülür. Genelde devrilme performansını iyileştirmeye yönelik çalışmalarda aracın kaynaklı çelik konstrüksiyonla oluşturulan iskelet yapısı dikkate alınarak geliştirme yapılmaktadır. Bu çalışmada, araç devrilme performansına etki edebilecek tavan kompoziti ve ön cam da dikkate alınarak devrilme simülasyonları gerçekleştirilmiş ve davranışa etkileri değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: ECE R 66.02, yaşam mahali, iskelet yapısı, ön cam, tavan kompoziti. AN INVESTIGATION ON EFFECTS OF IMPLEMENTING WINDSHIELD AND ROOF COMPOSITE MODELS TO THE VEHICLE ROLL-OVER PERFORMANCE ABSTRACT Statistical research shows that rollover accidents of busses are one of major threats to crew and occupant safety. Although the bus transportation is one of the safetiest way of transportation, it is important to enhance occupant safety in order to decrease fatalities and injuries. In EU countries ECE R66 regulation is applied to vehicles manufactured in accordance with 2001/85/AT. According to ECE R66, the vehicle is tilted to its one side. After rollover event no part of the vehicle are intruding into the residual space. In roll-over performance enhancing studies, generally, the welded structure of vehicle is considered. In this study, effects of windshield and roof composite models were examined using explicit dynamic finite element method. In simulations, windshield and roof composite were implemented to the finite element model . In order to determine the effects, several material models for windshield and roof composite were implemented to the roll-over finite element model and then the results of analysis were compared. Keywords: ECE R66.02, residual space, structure, windshield, roof composite. 1 yazılımların olgunlaşması, simulasyonların R66 regulasyonunda doğrulama yöntemi olarak geçerli bir kabul yöntemi olmasını sağlamıştır. Literatürde devrilme analizleri konusunda pek çok çalışmaya rastlamaktayız. Bu konudaki çalışmalardan birinde Avcı ve Kılıç devrilme simülasyonunda kullanılan metodolojinin testlerle doğrulanmasını göstermişlerdir [6]. Bu çalışmada, aynı modelleme yöntemi kullanılmıştır. Literatürdeki çalışmaların çoğunda, kaynaklı gövde yapısının devrilmedeki davranışı incelenmiştir. Bu çalışmada literatürden farklı olarak ön cam ve tavan kompozit yapı, devrilme modellerine dahil edilerek davranış incelenmiştir. 1. GİRİŞ Avrupa Birliğinin yayınladığı istatistik veriler incelendiğinde ülkemizdeki karayolu taşımacılığının çok önemli bir oranını otobüs taşımacılığının oluşturduğu görülmektedir. 2010 verilerine bakıldığında EU-27 ülkelerinde otobüsle taşımacılık %9 iken bu oran, bizde %46 olarak gerçekleşmiştir [1]. İstatistikler, otobüslerde yolcu ve mürettebat güvenliği açısından en ciddi kazalardan birinin devrilme olduğunu göstermektedir. Literatür araştırmamız sonucunda ülkemizde kaza tiplerine göre yapılmış istatistikî bir değerlendirmeye rastlamadık fakat Deshmukh, tez çalışmasında İspanya’da gerçekleştirilen 4 yıllık bir değerlendirmede otobüs devrilme kazalarında gerçekleşen ölüm riskinin diğer kaza tiplerine göre 5 kat daha fazla olduğunu belirtmiştir[2]. Mayrhofer ve arkadaşları, otobüs kazalarını önleme konusundaki uygulamaları derledikleri çalışmada Avrupa topluluğuna üye ülkelerde her yıl yaklaşık 30.000 kişinin otobüs kazalarında yaralandıklarını belirtmektedir[3]. Bu yöndeki istatistikleri destekleyen veriler pek çok makalede paylaşılmıştır. Devrilme kazalarında yaralanmaları ve ölüm riskini azaltmak amacıyla ECE R66 regulasyonu yürürlüğe konmuştur ve ülkemizde de bazı sınıftaki yolcu taşıma araçlarında uygulanmaktadır. Bu regülasyona tâbi olan araçlar Şekil 1'de görülen platformdan aracın bir yanına doğru devrilmektedir. Devrilme sonucunda yan direklerin, araç içerisinde oluşturulacak olan yaşam mahaline girmemesi öngörülür [4]. 2. YÖNTEM Analizlerde devrilme performansı bilinen 9 metre sınıfı bir aracın iskelet ve gövde yapısı kullanılmıştır. Aracın önce sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Komple aracın sonlu elemanlar modeli, 795 964 eksplisit kabuk eleman, 16 010 rijit bağlantı elamanı (Constrained Nodal Rigid Body) ve 224 kütle elemanından oluşmaktadır. Eleman boyutları iskeleti oluşturan profillerde 14 mm, sac parçalarda 6mm olarak seçilmiştir (Eleman boyutları için seçilen değerler, hesaplamaların doğrulanmasından gelen teyit edilmiş değerlerdir). Profil genişliği boyunca eleman sayısı üst yapı için en az 3 iken, bu sayı, devrilme sırasındaki deformasyon açısından önemli olan yan duvar dikmeleri için 4’tür. Tüm deforme olabilir bölgeler 4 düğüm noktalı, kalınlık boyunca 2 integrasyon noktasına sahip Belytschko-Tsay kabuk elemanları ile modellenmiştir. Kabuk eleman formülasyonu, LS-DYNA’da kullanılması mümkün olan indirgenmis integrasyonlu Belytschko-Lin-Tsay formülasyonuna dayanmaktadır. Bu eleman genellikle hesaplama süresi açısından verimli ve sonuçlar açısından hassas olarak nitelendirilir. Geçmişten beri çarpma dayanıklılıgı simülasyonlarının temelini 4 dügüm noktalı Belytschko-Tsay kabuk elemanları oluşturmaktadır[7]. Gerçek durumu daha iyi yansıtabilmek için modele koltuk iskeleti de dahil edilmiştir. İskeletin modellenmesi tamamlanınca araç toplam kütlesinde önemli yer tutan yürür aksam ve güç paketi gibi komponentler modele dahil edilmiştir. Yürür aksam (ön ve arka akslar, tekerlekler), güç paketi (motor, dişli kutusu) ve diğer komponentler (radyatör, susturucu, şaft, klima kompresörü, yakıt deposu vb.) kabaca 3 boyutlu rijit parçalar olarak modellenmiş, her bir parçanın kütlesi o parça üzerine atanmıştır(Şekil 2). Şekil 1. R66’ya göre devrilme testi[5] ECE R66 regulasyonunun ilk versiyonunda küçük bir yaşam mahali tarif edilmekte ve yolcu kütleleri hesaplamaya dahil edilmemektedir. Tahmini olarak 2017 yılında yürürlüğe girmesi beklenen R66.02 regulasyonunda ise daha büyük yaşam mahali tarif edilirken yolcu kütlelerinin yarısı da hesaplamaya dahil edilmektedir [5]. Günümüzde otobüs tasarımı ve imalatı yapan pek çok firma devrilme performansının belirlenmesi ve iyileştirilmesi konusunda sonlu elemanlar yöntemi ve explicit yazılımlar kullanmaktadır. Gerek sonlu elemanlar yöntemindeki gelişmeler gerekse 2 tabakadan oluşmaktadır. Tavan kompozitini modellemek için kabuk elemanlar ve LS-DYNA’ daki *PART_ COMPOSITE kartı kullanılmıştır. CTP ve polistiren köpüğü modellemek üzere *MAT_114 *MAT_LAYERED_LINEAR_ PLASTICITY_ TITLE modeli kullanılmıştır (Tablo-2) [11]. Tablo Tanım 2. CTP ve y a-Y ROpolistirenEmodel parametreleri yoğunluk Elastisite Poisson’oranı Akma g/cm3 GPa birimsiz MPa CTP 1.69 8.1 0.35 104 Polistiren 0,0357 0.012 0.4 0.5 Hem ön camı hem de tavan kompozitini içeren analizler de koşturulmuştur. Bu analizlerde ön camın tavan kompoziti ile birlikte kullanılmasının etkileri incelenmiştir. Şekil 2. R66.02’ye göre devrilme modeli R66.02’da belirtildiği şekilde devrilme analizlerinde kullanılacak toplam araç ağırlığı oluşturulurken yolcu kütleleri de modele dahil edilmiştir. 2.2. Sınır Koşullar Bu aşamada, LS-DYNA’da dogrusal olmayan analiz koşturulmuştur. ECE-R66.02 yönetmeliğinde belirtilen formülde devrilme sırasında araca uygulanacak toplam kinetik enerji, aracın denge durumundan yere çarptığı ana kadarki potansiyel enerjisine eşittir. Sözkonusu hesaplanan enerjinin en az %75 inin gövdeye strain enerji şeklinde aktarılması gerekmektedir. Kinetik enerji, 2.1. Malzeme Modelleri İskeleti oluşturan profil ve sac parçaları modellemek için *MAT_098 *MAT_ SIMPLIFIED_ JOHNSON_COOK malzeme modeli kullanılmıştır [8]. İskelette iki farklı çelik malzeme kullanıldığı için modelde iki farklı malzeme kullanılmıştır. Rijit parçalar, (Motor, dişli kutusu, yakıt deposu, akslar, vb.) “*MAT_020 Rigid Material” adı verilen malzeme ile modellenmiştir. Analizlerde literatürden bulunan farklı cam modelleri denenmiştir. Cam malzeme modellenmesinde iki yol izlenmiştir. İlk olarak cam tek tabaka gibi düşünülmüş, MAT24-Piecewise Linear Elasticity malzeme modeli kullanılmıştır [9]. İkinci tip modellemede ön cam, ortada polimer tabaka, altta ve üstte cam olacak şekilde üç tabakalı düşünülmüştür. Cam tabakalar için MAT123-Modified Linear Elasticity modeli, polimer tabaka için MAT24Piecewise Linear Elasticity modeli kullanılmıştır [9,10]. Ön cam için kullanılan LS-DYNA malzeme modelleri ve uygulanan malzeme parametreleri Tablo1’de verilmiştir. E = m g ∆ℎ olarak verilmektedir. Burada m otobüsün kütlesi, g yerçekimi ivmesi ve ∆ℎ = ℎ1 − ℎ2 dir (Şekil-3). Şekil 3. Δh’ ın hesaplanması[5] Bu enerji araca, aracın tüm parçalarına bir eksen etrafında dönme hızı verilerek uygulanmıştır. İlk hız atanması, LS-DYNA keyword’ü *INITIAL_ VELOCITY_GENERATION ile yapılmıştır. İlk model ve analiz tamamlanarak referans model ve Tablo 1. Cam model parametreleri Tanım Cam1 MAT24 Cam2 MAT24 MAT123 R E y a 2.5 75 0.3 100 0.75 1.0 2.5 0.25 70 0.35 0.22 10 30 1.0 100 (1) E O -Y TanjantTAN yoğunluk Elastisite Poisson oranı Akma Modülü g/cm3 GPa birimsiz MPa GPa sonuçlar elde edilmiştir. 3. SONUÇLAR ve DE ĞERLENDİRMELER Analizlerden elde edilen sonuçlar Şekil-4’de verilmiştir. Ölçümlerin yapıldığı bölgeler ise Şekil-5’ de gösterilmiştir. Çalışmanın bundan sonraki adımlarında tavan kompoziti modele dahil edilmiştir. Tavan kompoziti, altta ve üstte CTP, ortada polistiren olmak üzere 3 3 KAYNAKLAR: 1. European Statistics, http://epp.eurostat.ec.europa.eu/statistics_explaine d/index.php/Main_Page (01 Aralık 2013) 2. Deshmukh, P.,2006, “Rollover and Roof Crush Analysis of Low Floor Mass Transit Bus”, Wichita State University. 3. Mayrhofer, E., Steffan, H., Hoschopf, H., 2005, “Enhanced Coach and Bus Occupant Safety, 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles”, Washington DC, United States. 4. ECE R66.00: Uniform Provisions Concerning the Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to the Strength of Their Superstructure. 5. ECE R66.02: Uniform Provisions Concerning the Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to the Strength of Their Superstructure. 6. Avcı, A., Kılıç, N., 2008, “Bir Araç Gövde Kesitinin Fiziksel Test ve Simülasyon ile Karşılaştırmalı Devrilme Analizi”, OTEKON. 7. Elitok, K., Güler, M.A., Avcı, F.H., Stelzman, U., 2006, “LS-DYNA ile ECE-R66 Yönetmeligi’ne Uygun Otobüs Devrilme Analizi”, TurkCADCAM.net Dergisi, Ocak-Şubat. 8. Livermore Software Technology Corporation, 2012, LS-DYNA Keyword User’s Manual Volume 2 Material Models, 9. www.ncac.gwu.edu/vml/models.html, (31 Aralık 2013). 10. Peng,Y., Yang, J., Deck,C., Willinger, R., “Finite Element Modeling of Crash Test Behavior for Windshield Laminated Glass”, 2013 International Journal of Impact Engineering; 57:27-35 11. LS-DYNA Guidelines Composite Materials, www.awg.lstc.com, 31 Aralık 2013 Şekil 4. Analiz sonuçları Grafikte, düşey eksen devrilme sonucunda iskelet ile yaşam alanı arasında kalan boşluğu temsil etmektedir. Değerler, İskelet+Tavan kompoziti+Cam2 analiz değerleri 100 kabul edilerek, göreceli olarak belirlenmiştir. Yatay eksen, boşluk ölçülen her bir bölgenin araç üstündeki pozisyonunu belirtmektedir. Şekil 5. Ölçüm yapılan bölgeler Gerçekleştirilen analizler, modelleme sırasında karşılaşılan zorluklar ve elde edilen veriler değrlendirildiğinde aşağıdaki sonuçlar çıkarılmıştır: Ön camın modele dahil edilmesi aracın ön tarafında sonuçları iyileştirirken en arka direkteki sonuçları kötüleştirebilmektedir. Camın tek tabaka halinde eşdeğer katılığı sağlayacak şekilde modellenip tek bir malzeme modeli kullanılması normalde olduğundan daha rijit bir yapı ortaya çıkartmaktadır. Ön camın gerçekte olduğu gibi ara katmanları da dikkate alarak tabakalar halinde modellenmesinin daha gerçekçi sonuçlar verdiği düşünülmektedir. Tavan kompoziti modele dahil edildiğinde devrilme davranışını iyileştirmiştir. Bu iyileşme, ön tarafta daha fazla arka tarafta daha azdır. Aracın devrilmede en etkin direnci kaynaklı iskelet yapısı oluşturmakla birlikte, özellikle tavan mukavemetini arttırıcı yöndeki iyileştirmelerin aracın devrilme performansına ciddi katkıları olmaktadır. 4