Design and optimization of crash energy management systems on railway passenger wagons

Abstract

Lokomotifin ani fren yaptığı, karşıdan gelen başka bir trene çarptığı veya ray üzerinde herhangi bir cisimle çarpıştığı anda yolcu vagonlarında yüksek kinetik enerjisi vagonların raydan çıkmasına, vagonların iç içe girmesine veya vagonların üst üste tırmanmasına neden olmaktadır. Böyle kazalar büyük can ve mal kaybına neden olur. Bu nedenle demir yolu mühendisleri kaza sonucu mal ve can kaybını engellemek veya azaltmak için pasif emniyet yöntemleri önermiştir. Tez kapsamında, kaza esnasındaki çarpışma enerjisini sönümleme amacıyla demiryolu yolcu vagonlarında Çarpışma Enerjisi Yönetimi (Crash Energy Management-CEM) sisteminin tasarımı geliştirilmiştir. Günümüzde pasif emniyet yöntemi olarak CEM sistemi kullanılmaktadır. CEM sistemi trenlerin seyir hızına ve yapısına bağlı olarak kendilerine özgü yapısal elemanlara ve enerji sönümleme özelliklerine sahiptir. CEM sisteminin görevi, kaza esnasında vagonların kinetik enerjisini kontrollü şekilde absorbe edip, yolculara etki eden ivmeden kaynaklanan atalet kuvvetini azaltarak, can ve mal kaybını en aza indirmektir. Bu amaçla, CEM sisteminin elemanlarının optimum şekilde tasarlanması gerekmektedir. Bu tez çalışması kapsamında CEM sistemini oluşturan yapısal elemanlar incelenmiş, matematik modelleri çıkarılmış, analiz edilmiş, sonlu elemanlar yöntemleri ile hesaplamalar yapılmış ve optimizasyon teknikleri uygulanmış ve optimum bir CEM sisteminin sahip olması gereken özellikler belirlenmiştir.CEM sisteminin tasarımında, uluslararası standartlardaki ilgili emniyet kriterleri temelinde vagonların kazalara karşı emniyetinin arttırılması ele alınmıştır. Birinci bölümde, yolcu vagonlarında kaza esnasında emniyeti arttırmak için yapılan çalışmalar incelenmiştir. Bunun yanı sıra, literatürdeki ince cidarlı tüpler ve bal peteği yapılarının darbe yükleri altında ezilme davranışları, enerji sönümle özellikleri ve Cevap Yüzeyi Yöntemiyle (Respone Surface Method - RSM) çarpışmaya elverişli (crashworthiness) optimizasyonu incelenmiştir. İkinci bölümde, çeşitli kesit biçimine sahip ince cidarlı tüplerin çarpışmaya elverişli (crashworthiness) özellikleri elde edilmiştir. Üçüncü bölümde, bal peteği yapılarının ezilme davranışları ve çarpışmaya elverişli (crashworthiness) özellikleri, hücre geometrik özelliklerine bağlı olarak deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Dördüncü bölümde, CEM sistemi için gerekli olan ana enerji sönümleyici komponent tasarımı ve enerji sönümleyici elemanların RSM yöntemiyle optimizasyonu yapılmıştır. Beşinci bölümde, CEM sistemi tasarlanmış, örnek yolcu vagonu üzerine entegre edilmiş, vagonun çeşitli hızlarda çarpışma davranışları incelenmiş ve konvansiyonel vagonun davranışları ile karşılaştırılmıştır. Altıncı bölümde ise çalışma sonuçları ve önerilere yer verilmiştir. Uluslararası stadartlar tarafından belirlenmiş kriterler göz önünde bulundurularak yolcu vagonlarını kazalara karşı daha güvenli yapmak için değişik sistemler geliştirilmiştir. Raylı taşımacılıkta CEM sistemi olarak tanımlanan bu sistemler farklı mekanizmalarla çalışmaktadırlar. Bu tez kapsamında geliştirdiğimiz CEM sistemi iki kademeli enerji sönümleme mekanizmasının birleşiminden oluşmaktadır. Literatürde `crush zone` olarak adlandırılan sistem, bu çalışmada `ezilen bölge` olarak isimlendirilmiştir. Ezilen bölge, alüminyum bal peteği yapılar, ana enerji sönümleyici komponent, kesme civataları, kayar taban ve sabit taban mekanizmalarından oluşmaktadır. Enerji sönümleme mekanizması, alüminyum bal peteği yapısının ve ince cidarlı tüplerin çarpışma enerjisini absorbe edilmesini sağlar. Herhangi bir kaza durumunda vagonlar ilk olarak tampon bölgelerinden darbeye maruz kalırlar. Darbe etkisi ile tamponun içinde bulunan yay sıkışır ve darbe etkisini sönümler. Etki eden darbe şiddeti belli bir değerden fazla olursa kuvvet tamponun sonuna doğru aktarılır ve kesme civatalarının kırılmasına neden olur. Sonuç olarak, alüminyum bal peteği yapı devreye girer ve plastik şekil değiştirerek belli bir miktarda kinetik enerji sönümlenmesini sağlar. Bal peteği yapısında yaklaşık %70-80 oranında plastik şekil değiştirme gerçekleştikten sonra, petek yapının yoğunluğu artarak daha sert hale gelir ve çarpma kuvveti, kayar taban ile sabit taban arasında bulunan civatalara aktarılır. Vagonların kinetik enerjisi sabit taban ve kayar taban aralarında bulunan kesme civatalarının kırılması için yeterli olursa, kesme civataları kırılır ve ana enerji sönümleyici elemanlar devreye girer. Ana enerji sönümleyici elemanların malzemesi, kolay şekil değiştirebilen düşük alaşımlı çelik A350'den seçilmiş ve ince cidarlı tüp şeklinde tasarlanmıştır. Ana enerji sönümleyici elemanların darbe enerjisini sönümleme açısından optimum biçimini bulmak amacıyla üçgen, kare, altıgen, sekizgen, daire ve çok hücreli kare kesitli tüplerin darbe etkisinde sayısal analizleri yapılmıştır. Tüplerin darbe etkisinde ezilme davranışlarını gerçek sonuçlara yaklaştırmak için darbe similasyonu yapmadan önce burkulma analizi yapılmıştır. Burkulma analizinden elde edilen ilk on burkulma mod şekli düzensizlik (imperfection) olarak darbe analizi için tanımlanmıştır. Analizde, her nodda altı derece serbestliği olan shell elemanlar kullanılmıştır. Sayısal model, literatürde yapılan analitik çalışmaların sonuçlarıyla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Değişik kesit biçimine sahip tüplerin darbe etkisinde davranışları sayısal yöntemle incelenmiştir. İnce cidarlı tüplerde darbe enerjisi sönümleme özelliklerini incelemek için önemli parametreler ortalama ezilme kuvveti, tepe kuvvet, ezilme kuvvet verimi, ezilme birim uzaması, toplam verim, yapısal etkinlik, enerji sönümleme etkinliği, spesifik enerji sönümleme ve toplam enerji sönümleme parametrelerinden oluşmaktadır. Bu parametrelerin tanımları tezde yapılmıştır. Bu özellikler aynı sertliğe (solidity) sahip farklı biçimde tüpler için karşılaştırılmış ve çoklu hücreye sahip tüplerin enerji sönümleme özelliğinin daha fazla olduğu saptanmıştır. Diğer darbe sönümleme özellikleri kapsamında enerji sönümleme elemanı olarak kare kesit tüpler, kararlı şekil değiştirme ve makul enerji sönümleme kapasitesine sahip oldukları için seçilmiştir. İnce cidarlı tüplerde biçimle birlikte, tüplerin piramit şekli ve cidar kalınlığının da darbe sönümleme özelliklerinde etkili olduğu görülmüştür. Piramit tüplerde malzeme ağırlığını sabit tutup, açı ve kalınlığı değiştirerek darbe sönümleme bakımından optimum koniklik açısı ve kalınlığı belirlemek amacıyla MATLAB programı ve RSM metodu kullanılmıştır. Tüplerin optimizasyonunda kalınlık ve koniklik açısı bağımsız değişken olarak tanımlanırken, toplam verim optimizasyon maliyet fonksiyonu olarak seçilmiştir. RSM yöntemi kullanılarak koniklik açısı 0º-4.5º aralığında ve kalınlık 4-10 mm aralığında değiştirilerek maksimum toplam verim değeri 3.06º koniklik açısı ve 6 mm cidar kalınlığında elde edilmiştir. 3.75º koniklik açısı ve 8 mm kalınlık üzerinde, tüp kararlı şekil değiştirmesini kaybetmiş ve Euler burkulma modu yani eğilme burkulması ortaya çıkmıştır. Ayrıca, tüplerin koniklik açısı değişkeni, vagonun şasi bölgesinde bulunan alanla da kısıtlıdır.

A design approach for crash energy management (CEM) system of railway passenger car has been developed in this thesis. The aim of a crash energy management (CEM) design approach is to absorb the kinetic energy during collision of railway cars in a controlled manner and decrease the acceleration of passengers to reduce fatal injury risks. In this study, the CEM system is composed of a crush zone. The crush zone includes the honeycomb-structured boxes, primary energy absorbers, shear bolts, a sliding sill mechanism and a fixed sill mechanism. The crush zone that is located in the passenger-free space at the end of the passenger car, during the accident collide in progressive and controlled manner and absorb kinetic energy of car. The energy absorber components in the crush zone include honeycomb structure and thin-walled tubes. The shear bolts act as trigger in the system. The sliding sill provides a guide for the crush zone of the passenger car and energy absorber elements to collide systematically. The crush zone is attached to the under-frame of passenger car by fixed sill. The primary energy absorber inside of the crush zone composed of thin-walled tube. In order to find the optimum design of thin-walled tube with high crashworthiness characteristic, numerical study conducted. The numerical modeling of thin-walled tube has been validated by theoretical studies. The numerical simulation of thin walled tubes crushing pattern are carried out with different cross-sectional shapes. The crashworthiness characteristics of different shape are compared together. The FE simulation result reveals that multi-cell cross-section is effective in increasing energy absorbing factor. But by consideration the another crashworthiness parameters, the comparison results indicate that the square tube with low striker acceleration, stable deformation, and reasonable energy absorption capacity is the favorable cross section geometry as energy absorption elements in passive safety issue. In order to obtain the pyramidal tube dimension with high crashworthiness characteristics, response surface methodology (RSM) and MATLAB optimization tool is used. By changing the thickness of the tube between 4 mm to 10 mm and pyramidal angle between 0º to 4.5º, it is attempted to maximize total efficiency function. The pyramidal angle and tube thickness constraints are limited by global bending collapse pattern and space restrictions on the under-frame of passenger car. The optimum pyramidal angle and thickness are obtained with 3.06º pyramidal angle with 6 mm thickness.Low energy absorber component in crush zone system is honeycomb structure. Honeycomb structures collide with low and mainly constant average force and provide low acceleration/deceleration in crush patterns. Fabricated honeycomb structures geometry and configuration is limited. Therefore, it is necessary to investigate the optimum configuration of hexagonal honeycomb with high crashworthiness characteristics. Crashworthiness parameters of aluminum hexagonal honeycomb structures under impact loads are numerically investigated by using the software RADIOSS. To verify the results of explicit nonlinear finite element models, numerical results are compared with experimental measurements and theoretical results presented in literature. It is observed that there are good agreements between numerical, experimental and theoretical results. In numerical simulation of honeycomb structures, out-of-plane loads are considered while the aluminum foil thickness, cell side size, cell expanding angle, impact velocity and mass are varying, and dynamic behavior and crashworthiness parameters are examined. Numerical simulations predict that crashworthiness parameters depend on cell specification and foil thickness of the honeycomb structure, and are independent of impacting mass and velocity. Finally the geometric configuration of hexagonal honeycomb structure with high crashworthiness characteristic has been achieved for application in crush zone of railway passenger car. In order to investigate the benefits provided by the CEM system, designed crush zone is applied a N13-type used by the Turkish State Railway Company. A full-scale railway passenger car collision with a rigid wall is simulated by using dynamic/explicit finite element (FE) methods. The crushing force, secondary impact velocity, acceleration and velocity curves, and deformation modes are computed to allow a comparison of the crashworthiness performance of a passenger car equipped with the proposed CEM system with that of a conventional passenger car. Comparisons of FE analysis results show that a passenger car incorporating the CEM system has a superior crashworthiness performance to that of the conventional passenger car.