Yolcu güvenliğini güvence altına alan E.C.E regülasyonuna göre otobüs gövde analizi

Abstract

Otobüs, insanların toplu ulaşımda kullandıkları, günümüzün en modernmakinalarından biridir. Teknolojik gelişmelere paralel olarak, ulaşım sektöründekullanılan motorlu araçlar, trafik kazalarının oluşumunu engelleyecek aktif güvenliksistemleri (ABS, EBD, ESP, vb. gibi) ve kaza sonrası yaralanmaları ve cankayıplarını önleyecek pasif güvenlik sistemleri (Hava yastıkları, kapı içi çelik barlar,kaza anında katlanır pedallar, vb. gibi) ile donatılmaktadırlar.Otobüs kazaları ile ilgili olarak yapılan araştırmalar, can kaybının ve yaralanmalarınen çok otobüsün devrilmesi sırasında ortaya çıktığını göstermiştir. Yaşanan bu cankayıplarının, genellikle kazanın şiddetinden kaynaklanmadığı, otobüslerin gerekengövde mukavemetini karşılayamadıkları için ortaya çıktığı tespit edilmiştir.Otobüs gövdesinin devrilme kazası esnasında gereken mukavemeti sağlaması ve busayede insanların can kayıplarının önüne geçilmesi için U.N.E.C.E (United NationsEconomic Commission for Europe) tarafından 1997 yılından itibaren yürürlüğe girenE.C.E R-66.00 regülasyonu yayınlanmıştır. Bu pasif güvenlik regülasyonu ileAvrupa Birliği'ne üye ülkelerde kullanılan otobüslerin gövde parçalarının, devrilmekazası durumunda yolcuların ve mürettebatın yaşam mahalline müdahale etmesininönüne geçilmiştir. Söz konusu regülasyon, Türkiye'de de Avrupa Birliği' ne üyeülkelerle eş zamanlı olarak uygulanmaktadır.Otobüs üreticisi firmalar tarafından, E.C.E R-66 regülasyon şartına uygunluğunispatı için iki yöntem uygulanabilmektedir. Birinci yöntemde, prototipi üretilmişaraç, ilgili şartlara uygun olarak tasarlanmış test düzeneğinde fiili olarak devrilir.Araç gövdesinin, yolcuların ve mürettebatın yaşam mahalline girişimde bulunupbulunmadığı tespit edilir.İkinci yöntemde ise, birinci yöntemdeki şartlar bilgisayar ortamında sağlanır ve sonluelemanlar yöntemi tabanlı yazılımlar kullanılarak, otobüs bilgisayar ortamındadevrilir. Kullanılan yazılımın ve metodun güvenilirliği, otobüs gövdesinin kısmi birbölgesinin fiziksel olarak devrilmesi sonucu bulunan sonuç ile aynı kısmi bölgeninbilgisayardan elde edilen simülasyon sonucu karşılaştırılarak elde edilir.Günümüzde otobüs üreticisi firmalar genellikle ikinci yöntemi kullanmaktadırlar.Birinci yöntem hem pahalı bir yöntemdir hem de optimizasyon yapma şansınısınırlamaktadır. Çünkü otobüs gövdesinde yapılacak her tasarım değişikliğinde biradet otobüsün fiilen devrilip hurdaya ayrılması gerekmektedir. İkinci yöntemde iseoptimizasyon yapma şansı çok daha yüksektir. Yapılacak her tasarım değişikliğibilgisayar ortamında simülasyona tabi tutulabilmektedir. Bu sayede daha hafif vedaha mukavim gövde yapısına ulaşılabilmektedir. U.N.E.C.E tarafından yayınlanan ve 09 Kasım 2017 tarihinden itibaren ilgili tümaraçlar için yürürlüğe girecek olan E.C.E R-66.02 regülasyonu ile otobüs gövdesinindevrilme esnasında absorbe etmesi gereken enerji bir önceki regülasyona göreyaklaşık %90 oranında artmıştır. Bu mukavemeti sağlamak için yapılacak tasarımdeğişiklikleri araç ağırlığını arttırabilecektir. Ayrıca aracın ön ve arka aks taşımakapasiteleri de göz önünde bulundurulduğunda, E.C.E R-66.02 şartını sağlamak içinazami yolcu sayısını ve müsaade edilen bagaj ağırlığını azaltmak gerekebilecektir.Bu çalışmada, otobüs gövde konstrüksiyonunun Ansa yazılımı marifetiyle sonluelemanlar modeli ağ yapısı oluşturulmuş ve Ls-Dyna yazılımında da devrilmesimülasyonları gerçekleştirilmiştir.Bilgisayar ortamında yapılan işlemlerin güvenilirliğini tespit etmek için otobüs kısmigövdesi öngörülen şartlarda fiilen devrilmiştir. Ayrıca aracın ağırlık merkezininbilgisayar ortamındaki koordinatlarının gerçeğe uygun olabilmesi için prototip aracınağırlık merkezinin koordinatları fiilen yapılan ölçümler sonucu hesaplanmış vebilgisayar modeline bu gerçek koordinatlar girilerek analiz yapılmıştır. Bilgisayarsonuçları ile fiili test sonuçları karşılaştırılmıştır.Yapılan çalışmalar ile E.C.E R-66.02 şartlarını sağlayan, yolcu ve bagaj taşımakapasitesinin azaltılmasını gerektirmeyen, güvenli bir otobüs gövde iskeletkonstrüksiyonu elde edilmiştir.

A bus is one of the most modern motor vehicles which is used for people's masstransportation ranging from either low to high ranges. In parallel to technologicalimprovements the transportation vehicles are equipped with the active safety systemssuch as ABS, EBD, ESP, etc. and the passive safety systems such as airbags,embedded door reinforcements, foldable pedals, etc.According to the research made until today the highest casualties and injuries occurduring a rollover accident. And it is seen that- in general - these casualties are notbecause of the severity of the accident but mostly because of lack of strength of thebus superstructure.Thus, to maintain enough body strength preventing casualties the E.C.E R66.00regulation was put into force by U.N.E.C.E (United Nations Economic Commissionfor Europe) since the year 1997. The E.C.E R66.00 regulation is basically a tiltingtest where the bus is put on a 800 mm high platform and the platform is slowlyrotated until the bus starts to free fall. Shortly after starting a free fall the busstructure (roof edge) hits the ground and the body starts to absorb the occurredkinetic energy during elastic-plastic deformation.While experiencing the deformation the vehicle also slides on the ground generatingsome friction energy. The most critical deformation zones are the junctions ofsidewall pillars and the transverse profiles. These zones are called plastic hinges andthey experience the highest level of plastic strain compared to other deforming parts.For this reason plastic hinges are the primary zones to focus on while trying toimprove the design for a good rollover crash performance.The regulation applies to class M2 and M3 vehicles carrying at least 16 passengers.Thanks to this regulation, for the busses operating in European Union membercountries, structural intrusion in the so-called survival space of the vehicle isprevented during a rollover accident and this precaution secures passenger and thecrew safety. This regulation is in force also in Turkey and the produced bus vehiclesare obliged to satisfy the requirements set forth by the regulation.There are two major methods applied by the bus manufacturers towards the approvalof E.C.E R-66 regulation. In the first method a physical test set-up is created torollover a full vehicle prototype from a prescribed 800 mm high platform. Upon thecompletion of the test the measurements are evaluated and the distance from thedeforming body to the survival space at the worst instant is investigated. In thesecond method a simulation methodology (with finite elements method) is developedthrough a series of validation studies and by using relevant FEM software the busrollover test is performed in computer environment. The validation studies include material coupon tests to obtain true stress-straincurves, material characterization with 3-point-bending tests applied on particularbody structure components (i.e. breast knot or roof-edge knot) and test vs simulationcorrelation applied on a so-called body section of the bus superstructure.The FEM model parameters and the material model are fine-tuned until reaching agood level of approximation. As for validation, ground friction coefficient is also oneof the most important parameters influencing the accuracy of the simulation resultsand therefore it is also investigated by performing particular test and simulationstudies to obtain a reliable simulation methodology.Today, the vast majority of the bus manufactures follow the simulation methodbecause the first method (Physical test on a full-scale vehicle) is both expensive andnot reproducible. In other words it is difficult and so much time consuming to repeatthe tests for obtaining an optimal design. And also it is rather expensive not onlybecause of test set-up and measurement matters but also it is inevitable that each testresults in getting a scrap vehicle eventually. However, the simulation methoddefinitely enables the engineers or researchers to perform optimization studies oncethey provide a reliable simulation model. The virtual environment empowersinnovation and gives the user a feasible opportunity to try out the ideas to attainlightweight yet high strength superstructure satisfying the rollover safetyrequirements.The required superstructure energy absorption percentage is increased by %90(compared to R-66.00) with the E.C.E R-66.02 regulation which is released byU.N.E.C.E and which will come into force starting November 9th, 2017. This newversion of the regulation orders to introduce half weight of the seated passengers andthe survival space is redefined to occupy a space throughout the vehicle axis takingalso the foremost and rearmost pillars into play. The countermeasures to be taken tosatisfy the new regulation requirement might cause a body weight and cost increase.Besides, considering the maximum allowed axle weight, it might even result inreducing the maximum number of passengers or allowed luggage weight just tosatisfy the new requirements coming with E.C.E R-66.In the context of this thesis the parts comprising the bus body are designed to havemore strength yet reduced weight and high strength steel materials are used wherenecessary. The dynamical FEM model (Stiffness, mass and mass distribution isrepresented at a high level of accuracy) of the designed bus structure is prepared withthe specialized preprocessing software Ansa and the rollover crash analyses areperformed with the commercial code Ls-Dyna.Ls-Dyna is mainly an explicit-dynamic FEM code developed by Livermore SoftwareTechnology Corporation located in California, U.S.A. It is especially developed forlow-to-hypervelocity impact events. It has an explicit time integration scheme basedon central difference numerical method which is mathematically well suited forbetter capturing the consequences of highly transient physics. That is why it isglobally widespread among the crashworthiness and safety departments of variousindustries.To establish a reliable FEM simulation, a simulation vs test correlation study isperformed on a bus body section using the prescribed initial conditions. In additionto that, the mass center of gravity (CG) of a full-scale bus is measured with physicaltests and the mass distribution of the dynamical simulation model is fine-tuned toaccurately match the real CG. Upon obtaining a proven simulation methodology the computer simulation is performed and the deformation results are compared to thosefrom the physical test. With all the effort given, a safe bus superstructure design isobtained which conforms the E.C.E R-66.02 regulation and does not require reducingthe maximum allowed number of passengers or the maximum allowed luggageweight.