Bir raylı taşıt bogisinin sonlu elemanlar yöntemiyle yorulma analizi
Fatigue analysis of a railway vehicle's bogie with finite element method
Yazar: SUAT SABIRLI
Danışman: PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Ulaşım = Transportation
Dizin: Raylı taşıtlar = Railway vehicles ; Yorulma analizi = Fatigue analysis ; Yorulma davranışı = Fatigue behavior

Özet:
Raylı sistem araçlarında, araçla yol arasındaki bağlantıyı sağlayan, yolcu ve araç ağırlığını üzerinde taşıyan donanım olarak bogiler, şüphesiz bu araçların statik ve dinamik olarak incelenmesi gereken en kritik kesitleridir.Bogiler daha iyi sürüş özellikleri sağlamak, rayda daha az aşınmaya yol açmak ve daha az raydan çıkma tehlikesi sunmak ile yükümlü bileşendir. Bogideki dingil sayısı arttıkça ray kıvrımlarından geçişteki konumlanışları daha da önem kazanmaya başlar.Bogilerin temel işlevleri;?Tren gövdesini desteklemek?Düz ve virajlı yollarda kararlı kalmak ve aracın kararlılığını korumak,?Yol düzensizliklerinden kaynaklı titreşimleri sönümleyerek konforlu bir yolculuk sağlamak,?Tren yüksek hızlarda kurplardan geçerken oluşacak merkezkaç kuvvet etkilerini azaltmak,?Ray aşınması ve yol düzensizliği oluşumunu minimize etmekolarak sıralanabilir.Bogileri sınıflandırmak çok çeşitli tasarımların var olmasından ve raylı taşıt çeşitliliğinin fazlalığından dolayı son derece zordur. Ancak bogileri genel olarak, yaptıkları işlere göre; taşıyıcı ve çekici, aks sayısına göre; tek, çift veya üç akslı, süspansiyon yapısına göre; mafsallı veya mafsalsız, tasarımlarına göre ise klasik ve gelişmiş bogiler olarak sınıflandırmak mümkündür.Yolcu vagonu ve lokomotif bogileri iki aşamalı yay sistemine sahipken, yük treni bogileri genelde tek aşamalı yaya sahiptirler. Tekerlek aks bileşenleri ile bogi arasında birinci yay, bogi ile vagon arasında ise ikinci yay yer alır. Aks yuvası üzerinde yer alan birinci yay tabaka, burulma yayı ya da lastik yaydır. İkinci yay ise yolcu vagonlarında genelde burulma ya da hava yaylarından, lokomotif bogilerinde ise burulma yaylardan oluşur. Bogiler daha karmaşık yapılarda olabilirler.Makine veya araç tasarımında statik ve dinamik analizler bazen yeterli olmakla birlikte, tekrarlı yüklerin görüldüğü kesitler için yorulma analizine de ihtiyaç duyulmaktadır. Malzemeler yorulma açısından incelendiğinde, belirli gerilme genliklerinde belirli yük tekrar sayılarına kadar kırılmadan dayanabilmektedir. Literatürde çok çeşitli yorulma tanımları yapılmaktadır. Genel kullanım itibariyle yorulma kelimesi malzemelerin statik gerilme ve deformasyon altındaki davranışlarından farklı olarak, tekrarlı gerilme ve uzamaların söz konusu olduğu durumlardaki davranışını belirtmek üzere kullanılmaktadır.Yorulma ASTM 206-72' de aşağıdaki şekilde tanımlanmaktadır:?Bazı nokta veya noktalarda tekrarlı gerilme ya da uzamaya maruz kalan malzemelerde, yeterli tekrar sayısından sonra çatlak oluşması, çatlağın büyümesi ve bunun sonucunda malzemenin kırılmasına sebep olan kısmi ve sürekli gelişen kalıcı bir yapı değişikliği olayıdır.?Birçok tasarım yorulma analizine ihtiyaç duyulmadan sadece statik gerilme analizleriyle doğrulanırken; seçilen malzemenin akma gerilmesi çoğu zaman belirleyici faktör olmaktadır.Ancak yorulma analizlerinde eğer sonsuz ömre göre tasarım yapılmak isteniyorsa, malzeme akma sınırının çok altında olan yorulma süreklilik limiti(endurance limit)nin altında çalışılmalıdır. Bu limit değeri deney numunesinin kırılma testiyle belirlenirken, malzemenin kullanılacağı tasarımdaki ortam koşullarının da bu değere eklenmesiyle nihai yorulma limiti ortaya çıkmaktadır. Ortam koşullarından kasıt; çentik durumu, boyut etkisi, yükleme tipi ve yüzey kalitesi gibi etkenlerdir.Deney numunesinin yorulma gerilmesi Se', yüklemeye maruz kalan elemanın yorulma gerilmesi Se ile ifade edilmesi durumunda:Se = Se`.Kçentik. Kboyut. Kyükleme. Kyüzeyifadesi ile belirlenebilir. Burada;Kçentik: Çentik etkisini,Kboyut: Boyut etkisini,Kyükleme:Yükleme tipinin etkisini,Kyüzey:Yüzey kalitesini,ifade eden parametrelerdir ve bunlar yorulma dayanımı düzeltme faktörü (Kf) olarak kullanılmaktadır.Kf =1/( Kçentik. Kboyut. Kyükleme. Kyüzey)eşitliği ile hesaplanabilir.Tren dinamiğinde bogiler için yorulma hesabı ve yorulma testi otuz yıllık bir ömür için yapılır. Yani otuz yıllık ömür bu araçlarda sonsuz ömür olarak kabul edilmektedir.TS EN 13749 standardında hafif raylı ve tramvay bogileri için yorulma testinde boginin toplamda 2.000.000 çevrimlik yüklemeye kırılmadan dayanması istenmektedir.Bu çevrim sayısının dağılımı aşağıdaki gibidir;-Makas durumunda 500.000-Düzgün hatta giderken 1000.000-Kurpta giderken 500.000Bu çalışmada analizi yapılan bogi, bolsterli, birincil süspansiyonu çevron yayları, ikincil süspansiyonu ise hava yaylarından oluşan klasik tip bir bogi olarak sınıflandırılabilir.Tasarımı CATIA programında yapılan bogi modeli HYPERMESH programına aktarılmıştır.Burada elemanlar modelleme açısından dört farklı bölüme ayrılmıştır. Bunlar;1-Üzerine ağ tanımlanacak olan katı gövde,2-Yay ve kiriş eleman olarak modellenecek olan gergi kolu, aks, cer kolu, hava yayı ve çevron elemanlar,3-Asılı kütle olarak tanımlanacak olan fren diski, ray freni4-Damper elemanlardır.Sonlu elemanlar analizinde sivri köşeler ve dar geçişler istenmediği için ilk olarak yapı üzerinde genel bir düzenleme yapılmıştır. Kaynak ağızları gibi sivri uçlar düzeltilip birleştirilerek bu bölgelere düzgün ağ elemanı tanımlanmıştır.Cer kolu (traction rod), gergi kolu (tension rod) ve aks, dairesel kesitli bileşenler olduklarından ?çizgi ağ? (line mesh) elemanlar kullanılarak ?kiriş? (beam) elemanlarla modellenmiştir.Cer kolu ve gergi kolu bağlantılarında ?RBE2? elemanlar kullanılmıştır. RBE2 tipi eleman HYPERMESH yazılımında kullanılan bir boyutlu bağlantı elemanıdır. Bir boyutlu bağlantı elemanları ağ(mesh) modellerde genellikle katı ve kabuk elemanlar arasında bağlantı oluşturmak için kullanılır. Birincil ve ikincil süspansiyonların tanımlanmasında ?CBUSH? eleman kullanılmıştır.Analizlerde yapısal bir etkisi olmayan, yük taşımayan donanımların model üzerine yalnızca kütleleri tanımlanmaktadır. Bu işlem HYPERMESH programı içinde nokta kütle (point mass) elemanlarla yapılmıştır.Yorulma yüklerinin hesaplanması ve sonlu elemanlar modeline uygulanmasında ?TS EN 13749? standardı esas alınmıştır. Bu standarda göre B-IV- Tramvaylar kategorisine giren araç modeli için belirtilen yorulma yükleri kurulan model üzerine tanımlanmıştır. Her senaryo için, birinci ve ikinci adım olarak belirtilen yükleme durumlarının ayrı ayrı statik gerilme analizleri yapılmıştır. Bu analizlerden gelen gerilme sonuçları ile her bir düğüm noktası için maksimum ve minimum gerilme değerleri alınmıştır. Bu değerler ile gerilme genliği ve ortalama gerilme değerleri hesaplanarak kritik kesitler için ?haigh diyagramı?nda yerine yazılarak yapının yorulma açısından emniyetli olup olmadığı incelenmiştir.Sonuç kısmında, uygulanan yorulma yüklerine sistemin verdiği cevaplar incelenerek emniyetsiz görülen bölgeler için tasarımında bazı değişikliklere gidilmesi ve bu bölgelerde ortaya çıkan ortalama gerilme ve gerilme genliklerinin seviyelerinin düşürülmesi tavsiye edilmiştir.Bu çalışmanın bir sonraki adımı olarak bir bogi test düzeneği kurularak, bilgisayar ortamında yapılan bu analizlerin, testlerle doğrulanması hedeflenebilir.

Abstract:
The bogies in the rail system vehicles, which provides connection between the vehicle and road, carrying the weight of passengers and vehicles on stand-alone equipment. No doubt, the most critical cross-section is bogies in railway vehicles to be examined in static and dynamic.Bogies, is required to provide better driving properties, less wear on the railway and less danger of derailment.Basic functions of bogies;-Support railcar body firmly-Run stably on both straight and curved track-Ensure good ride comfort by absorbing vibration generated by track irregularities and minimizing impact of centrifugal forces when train runs on curves at high speed-Minimize generation of track irregularities and rail abrasionBogies are difficult to classify because of there are wide variety of designs. Generally, bogies divided into three categories;-According to their work; motor or trailer,-By the number of axles; one, two or three axles,-According to the structure of the suspension; articulated or non-articulated,-According to designs; classical or developed.While passenger cars and locomotive bogies have two stage spring system, freight train bogies are generally consist of single-stage springs. Primary suspension is between wheel-axle and bogie components, secondary suspension is between bogie and carbody.Static and dynamic analysis in the design of the car sometimes to be sufficient but the fatigue analysis is needed for the cross-sections, which have repeated loads. Commonly known as fatigue represents the behavior of materials in repeated stresses condition.While without needing fatigue analysis, many designs are verified by the help of static stress analysis, the yield stress of the selected material is mostly determinant.But, if there are time-varying loads, this situation changes slightly. Because, behavior of machine parts is entirely different when they are subjected to time-varying loading.In fatigue analysis, if it is wanted to design based on infinite life, it is studied below endurance limit, which is far below the yield point of the material.This limit is determined by the value of the test sample breakage test. By adding of environmental conditions to this value, the final fatigue limit occurs.These environmental conditions are notch condition, size effect, loading type and surface quality. Test sample?s fatigue limit Se?, loading element?s fatigue limit Se;Se = Se`.Knotch. Ksize. Kloading. KsurfaceThese refer;Knotch: Notch factor,Ksize: Size effect,Kloading: Loading type effect,Ksurface: Surface quality,In train dynamics, fatigue calculation and fatigue test for bogies is executed for 30 years. In other words, 30 years of life cycle is considered as infinite life.TS EN 13749 standards ask the bogies to resist to a loading of 2.000.000 cycle without breaking in fatigue test for light railway and tramway bogies.The distribution of this cycle is as follows;-500.000 running over points-1000.000 running straight ahead-500.000 running through curvesThe bogi which is analyzed in this work can be assorted like a classic type bogi what is consists of primary suspension is chevron springs and secondary suspension is air springs.The model of bogi is transferred to HYPERMESH program, which designed with CATIA.In here, the terms of modelling, components are divided into different four parts;?The solid body which will define mesh on it,?Traction rod, axle, airspring and chevron components, which will modelling in the form of spring and beam elements,?Brake disk, rail brake which will modelling in the form of ?sprung mass??Damper components.Firstly, a general refinement is made on structure, sharp corner and narrow passing is corrected. Spikes such as welding line combined and revised thus smooth mesh elements obtained in these regions.Because of their circular sections, traction rod, tension rod and axle modelled as line mesh by using beam element.RBE2 components are used in traction rod and tension rod connection. RBE2 type is one dimensional connection component, which is used in HYPERMESH program.In mesh models, generally one dimensional connection components is used to compose connectivity between solid and shell elements. CBUSH component is used to define primary and secondary suspensions.The hardwares which hasn?t any structural effect and doesn?t transport any load in analysis, is defined only their masses on models.This process is made by point mass elements in HYPERMESH program.?TS EN 13749? standard is predicated on calculate of fatigue loads and apply them to finite elements model.According to this standard, the fatigue loads applied to model which are declared for category B-IV Tramways.For every scenario, loading conditions are specified as first and second steps. Then static stress analysis is made.With results from this analysis, for every nodes, maximum and minimum stress values are derived.Stress amplitude and mean stress are calculated with this values. Then nodes? places is defined on haigh diagram for critical section and the construction is controlled whether it is reliable or not for fatigue.At the section of conclusion, the answer which is given by system to applied fatigue loads is examined, it has been recommended that it should be done some changes and it should be decreased the levels which occur stress and stress amplitude at these regions.As a next step of this study, to verify this finite element results by establish a bogie test mechanism. The production of rail vehicles are not common in Turkey. For this reason, the service is purchased from Europe for testing of these vehicles.Establishment of test setups in the country will be useful for employment and current account deficit.