Elektrikli otobüs komponent taşıyıcısının sonlu elemanlar metodu ile optimizasyonu
Optimization of electric bus component carrier by finite element method
Yazar: VOLKAN AVCI
Danışman: DOÇ. DR. TUNÇ APATAY
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Hava kirliliğinin giderek artması ve petrol rezervlerinin hızla azalması sebebi ile alternatif enerji kaynağı kullanan araçlar ilgi odağı haline gelmişlerdir. Hem toplu taşıma vasıtası olması hem de alternatif enerji kaynağı kullanmasından dolayı elektrikli otobüsler, şehir içi taşımacılıkta gittikçe artan bir yer edinmişlerdir. Elektrikli otobüslerin hareket etmesi için gereken enerji, otobüs ağırlığının büyük bir bölümünü oluşturan bataryalarda depolanır. Otobüs ağırlığının fazla olması, maksimum yolcu sayısını kısıtlamakla birlikte araç menzilini de düşürmektedir. Bu sebeple elektrikli araçlar için ağırlık azaltma çalışmaları önemli bir yer tutmaktadır. Başlıca ağırlık azaltma yöntemleri, malzeme değişimi, parça et kalınlığını azaltma ve parça tasarımında optimizasyona gitmektir. Bu tez çalışmasında, profil et kalınlıklarının ve profillerde boşaltmalar açmanın ağırlık üzerine olan etkileri incelenmiştir. Analiz yaklaşımının doğruluğunu göstermek için ilk olarak, kaynakla birleştirilmiş iki profil test edilmiş ve iki profilin birleştiği kaynak bölgesinde oluşan gerilme değerleri okunmuştur. T bağlantıya ait gerilme sonuçlarını inceleyebilmek için kaynak detaylarını içeren detaylı analiz modeli ve kaynak detaylarını içermeyen basitleştirilmiş analiz modeli olmak üzere iki analiz çözdürülmüştür. Detaylı analiz modeli ve test arasında %1, basitleştirilmiş analiz modeli ve test arasında %1,4 fark olması sebebiyle, tüm otobüs analiz modelinin basitleştirilmiş analiz yaklaşımı ile oluşturulmasına karar verilmiştir. Tez çalışması sırasında incelenecek komponent taşıyıcıya etkiyen yüklerin tespiti için X, Y ve Z eksenlerinde ivme ölçümleri yapılmıştır. Referans otobüse ait analiz modeli, fren, viraj, burulma, aks yüklemeleri gibi standart yükleme koşulları ve komponent taşıyıcı için ölçülen ivme yükleri ile çözdürülmüştür. Test ve sonlu elemanlar analizi ile elde edilen gerilme sonuçları değerlendirildiğinde maksimum %11 oranında bir fark gözlenmiştir. T bağlantı için yapılan çalışmalar ve tüm otobüse ait analizler ve testler yardımıyla test-analiz korelasyonu sağlanmıştır. Bu sayede ağırlık azaltma önerilerine ait analiz ile doğrulanmış tasarımların ayrıca test ile doğrulanma zorunluluğu ortadan kaldırılmıştır. Ağırlık azaltma çalışmaları kapsamında; et kalınlıkları azaltılmış model, parçalar üzerinde boşaltma açılmış model ve hem et kalınlığı azaltılmış hem de boşaltmalar açılmış model analizler ile incelenmiştir. Analiz sonuçları, üç tasarıma ait maksimum gerilme değerlerinin 236 MPa olan malzeme limitinin altında kaldığını göstermektedir. Bu sebeple 57 kg maksimum ağırlık kazancı sağlayan üçüncü tasarım önerisi devreye alınmıştır.

Abstract:
Due to the increasing air pollution and rapidly depleting oil reserves, vehicles using alternative energy sources have become the focus of attention. Electric buses have increasingly gained a place in urban transportation because they are public transportation vehicles and they use alternative energy sources. The energy required for electric buses to move is stored in the batteries, which account for a significant portion of the bus's weight. The excessive weight of the bus not only limits the maximum number of passengers but also reduces the vehicle's range. Therefore, weight reduction project are important for electric vehicles. The main methods of weight reduction are material change, reducing the thickness of parts, and optimisation on part design. In this thesis study, the effects of reducing profile thicknesses and opening cutouts on the profiles on weight were investigated. To demonstrate the accuracy of the analysis approach, two welded profiles were tested, the stress values in the weld region was measured and noted. Two analysis models were solved: a detailed analysis model that includes welding details and a simplified analysis model that does not include welding details. There was  1% difference between the detailed analysis model results and the test, and 1.4% difference between the simplified analysis model results and the test. Since the detailed analysis results and the simplified analysis results were very close to each other, finite element analysis model of full bus was created using the simplified analysis approach. Acceleration measurements of component carrier were made in the X, Y, and Z axes. The full bus analysis model was solved with standard loading cases such as braking, cornering, twisting, and axle loads, as well as with the acceleration loads measured for the component carrier. When the stress results from the tests and finite element analysis were evaluated, a maximum difference of 11% was observed. Correlation between the tests and the analyses was performed using T-joint and full bus analyses. Thus, there is no test necessity for models which was verified with finite element analysis. Models with reduced thickness, models with cutouts and models with both reduced thickness and cutouts were examined during this thesis study. The analysis results show that, the maximum stress values for all three designs are below the material limit of 236 MPa. Therefore, the third design, which provides a maximum weight reduction of 57 kg, was decided to use.