Otobüslerde kullanılan yakıt tanklarının yorulma analizleri
Fatigue analysis of fuel tanks used in buses
Yazar: SENA AYHÜN
Danışman: PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Mercedes- Benz Türk A.Ş. Ar-Ge Merkezi; Almanya, İspanya ve Türkiye' de üretilen tüm Mercedes ve Setra marka otobüslerdeki yakıt tanklarının tasarım, geliştirme ve test sorumluluğunu üstlenmiştir. Önceleri yakıt tanklarında konvansiyonel çelik yakıt tankları kullanılıyorken, kolay şekil verilebilirliği, korozyon direnci gibi avantajları göz önünde bulundurularak plastik yakıt tanklarına geçiş yapılmasına karar verilmiştir. Bu geçiş sürecindeki Ar-Ge çalışmaları da Mercedes Benz Türk A.Ş Ar-Ge merkezinde yürütülmektedir. Malzeme değişikliğiyle birlikte plastik malzeme özelliklerinin belirlenmesi gerekliliği doğmuştur. Bu özelliklerin belirlenmesiyle birlikte ürün geliştirme aşamasındayken bir simülasyon metodolojisi ile tasarıma yön verilmesi planlanmaktadır. Böylelikle yakıt tankı dayanımının ölçüldüğü sarsma tablası ile yapılan test sayısı azaltılması ve zaman ile iş gücü kazanımı sağlanması hedeflenmiştir. Bu kapsamda üniversite-firma işbirliği yapılarak San-tez proje onayı alınmış ve bu kapsamda çalışmalar gerçekleştirilmiştir.
Plastik yakıt tanklarından alınan numuneler kullanılarak, malzemenin mekanik özellikleri İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak Uzay Bilimleri Fakültesinde bulunan üniversal test makinasında yapılan kupon testleri ile elde edilmiştir. Plastik malzemeye ait çekme, basma değerleri, akma sınırı, Elastisite modülü, poisson oranı gibi malzeme özellikleri oda sıcaklığı, sıcak ortam ve soğuk ortam için testler yapılarak belirlenmiştir. Ayrıca yorulma analizlerinde kullanılan S-N eğrisini elde etmek amacıyla yorulma testleri gerçekleştirilmiştir.  Elde edilen bu malzeme özellikleri sonlu elemanlar analizlerinde kullanılmıştır. 
Firma tarafından seçilen örnek yakıt tankının katı modeli CATIA kütüphanesinden alınıp sonlu elemanlar yazılımı olan MEDINA'ya transfer edilerek sonlu elemanlar çözüm ağı oluşturulmuş,  Permas programı kullanılarak statik ve dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Proje kapsamında gerçekleştirilen bu analizin sonuçları kullanılarak bu tez kapsamında yorulma analizleri gerçekleştirilmiştir. İstanbul Teknik Üniversitesi'nde yapılan malzeme testlerinden elde edilmiş olan S-N eğrisi kullanılarak FEMFAT yorulma analizi programı ile hasar analizi yapılmıştır. Malzeme testleri ile elde edilen çekme, basma, eğilme test sonuçları ve S-N eğrisi kullanılarak malzeme dosyası oluşturulmuştur.  S-N eğrisi için FEMFAT programına sonsuz ömür limiti (endurance cycle limit), S-N eğrisinin eğimi, sonsuz mukavemet değeri ve kırılmama olasılığı (survival probability) değerleri kullanılarak R= -1 için lineer S-N eğrisi elde edilmiştir. Analizlerde S-N toplam ömür yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem en çok kullanılan yöntemdir. Bu yöntemde genel kesitteki veya lokal bir bölgedeki elastik gerilme değeri toplam ömürle ilişkilendirilmektedir. Toplam ömür yöntemi elastik bölgede kompozitler, plastikler ve demir dışı metallerden yapılmış malzemeler için de kullanılabilir. Bu yöntem ayrıca her türlü rastgele titreşim uyarılı yorulma problemlerinde kullanılabilmektedir. 
Hem analizerde hem testlerde aynı kötü yol verisi kullanılmıştır. Yorulma analizleri her bir doluluk oranı için kötü yol verisinin uygulanmasıyla gerçekleştirilmiş ve 1 teste karşılık gelen hasar hesaplanmıştır. Toplam hasar Mercedes-Benz Türk A.Ş. test ekibinin kullandığı sarsma tablası test sayısı ile çarpılarak bulunmuştur.
Hasar analizleri gerçekleştirilirken öncelikle 7 mm kalınlığındaki tank için testlerle elde edilmiş olan malzeme sonuçları kullanılarak yorulma analizleri tam dolu, ¾ , yarı dolu ve ¼ dolu olmak üzere 4 farklı doluluk oranı için gerçekleştirilmiştir. statik, dinamik ve yorulma analizleri sonuçları farklı doluluk oranlarına göre değerlendirilerek yakıt tankı üzerinde en iyileme çalışmaları yapılmıştır. Öncelikle 7 mm olan tank cidar kalınlığı 9 mm'ye çıkartılarak analizler tekrarlanmış ve sonuçlar irdelenmiştir. Optimizasyon sürecine öncelikle geometrik düzeyde başlanmayarak, tank cidar kalınlığı arttırımına gidilmiştir.  Ardından ise geometrik olarak tank üzerinde değişimler yapılmıştır. 9 mm kalınlığındaki tank için dört doluluk oranları için hasar analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerin devamında proje kapsamında geometrik optimizasyon yapılmış olan tankın tam dolu durumu için yorulma analizi gerçekleştirilmiştir ve tez kapsamında sunulmuştur. 7mm ve 9mm kalınlığındaki tankların farklı doluluk oranlarındaki 1 çevrim için elde edilen hasar analizi sonuçları incelendiğinde, 1/4 ve 2/4 doluluk oranlarında dinamik ve yorulma analizlerinde çok düşük değerlerde hasar meydana gelirken, 3/4 ve 4/4 dolu durum kritik durumlar olarak ortaya çıkmıştır.  Optimizasyon sürecinde kalınlığın artırılması ile gerilme ve RMS değerleri azalmış; buna bağlı olarak hasar değerlerinde de azalma meydana gelmiştir. 7 mm kalınlığındaki tank ile kıyaslandığında ön bölgedeki değerlerde azalma meydana geldiği görülmüştür.
Optimizasyonu yapılmış olan A1 tankının 1 test çevrimine karşılık gelen hasar analizi sonuçları incelendiğinde 7 mm kalınlığındaki tanka göre özellikle ön bölgede hasar azalmaktadır. Böylece tam dolu tank için 1 test çevrimdeki hasar; 7 mm için 0.0125,  9 mm tank için 0.011 ve optimize edilmiş A1 tankı için ise 0.00414 değerini almıştır. Böylece ön bölgedeki yorulma analizleri sonucuna göre geometrik iyileştirmelerle yapılan A1 tankı,  yine 9 mm kalınlığındaki tanka göre 2.65 kat 'daha uzun ömürlü' bir tank olmuştur.
Bu çalışma Sanayi ve Çalışma Bakanlığı'nın 0488.STZ.2013-2 numaralı San-Tez projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi ve Mercedes Benz Türk A.Ş. tarafından birlikte yürütülmektedir. Proje, nisan 2014 tarihinde başlamıştır ve devam etmektedir.

Abstract:
Mercedes-Benz Turk Inc. R & D Center; Germany, Spain and Turkey is responsible for production, development, testing and design of the fuel tanks in all Mercedes Setra brand buses. In past, conventional steel fuel tanks were used, after that, with the changing material it began to change with the transition to plastic fuel tanks. R & D studies in this transition process is carried out in Mercedes Benz Turk AS R & D Center. In this context, the determination of the properties of metarials and at the stage of product development with an simulation methodology are planned to provide direction to the design. Thus, the strength of the fuel tank made by the vibration table tests measured the number of the gain reduction and aimed at providing the workforce with time. In this context, unıversity company cooperation was made and studies were performed with San-Tez approval.
The use of non-metallic materials has become increasingly common in recent years. In the begining changes taking place in the parts which not require strength, with widespread use of composite meterials at the region of  needing resistance non-metallic material usage has become widespread. Because of advantages of lightweight, corrosion resistance, easy shapability and being inexpensive plastic is spreading day by day. These advantages are taking into consideration, transition is made from the steel fuel tanks to plastic fuel tanks. With this transition, determination of mechanical properties of the plastic material requirements was occured. 
Using samples taken from the plastic fuel tank, mechanical properties of the material at Istanbul Technical University Faculty of Aeronautics and Astronautics were obtained by universal testing machine made in coupon tests. Tensile, compression material testing of plastic meterial conducted in hot and cold environment conditions and material properties such as yield point of the material, modulus of elasticity, Poisson's ratio were determined. Thermal expansion coefficient of the material found. Also fatigue tests to obtain the S-N curve used in fatigue analysis were conducted. In the fatigue test was initiated as a push-pull test it was decided to be done on samples bending fatigue test due to the extreme to show ductile behavior of the material. 
The main specification of a simple plastic material is not only being stable in the room temperature but also being able to get reshaped under some certain temperature and pressure values. Plastics are commonly used in the manufacturing process of daily consumption products & automative industry. The main reason of this situation is that; plastics can easily be reshaped, in addition to this, mostly have softness, dielectricity, non-flammable features. These all are constructing the rational base that explains why "the demand" has been increasing during last few decades.
Fatigue for materials is recognized as changes of material's structures under variable stresses. Damage in fatigue exists by small cracks grow by time via the effect of variable stresses. There are several factors in order to affect fatigue behaviour of materials such as stress condition, structure and type of materials, effects of residual stresses, dimensional of internal defects in process of production, distribution of material load direction, grain size, corrosion/erosion conditions, higher/lower temperature.
Solid model of instance fuel tank chosen by company, taken from CATIA library and transfered to MEDINA which was have finite elements software and finite elements network solutions created. Using the results of this analysis carried out under the project fatigue analysis was carried out within the scope of this thesis. Using S-N curve obtained from material tests done at the Istanbul Technical University, damage analysis was carried with fatigue analysis program FEMFAT. Material file has been created with using S-N curve and tensile, compression, flexural test results obtained by material tests. 
FEMFAT is a  software program which can perform fatigue analyses in combination with widely used finite element programs like NASTRAN, ABAQUS, ANSYS, I-DEAS, MEDINA, PATRAN, PRO/MECHANICA. At the begining of the design process FEMFAT provides engineers with reliable information on the fatigue life of structures. By the help of the FEMFAT analysis program provides gaining time and cost consuming when tests are scheduled. Thus improving critical points and reducing the total weight can be done and it results in high-level prototypes and therefore leads to less tests. At the end of the analysis, the results can be taken as damage, safety factors of endurance or static load as well as stresses, ratio and multi axiality[22].
Endurance cycle limit, tangent of S-N curve, infinite strength, survival probability parameters are implemented into FEMFAT software while R = -1 for obtaining S-N curve. In the analysis that have been done in this work, S-N total duration method, which is the most popular one among the ohters, is used. By using this method, elastic stress values occuring on the whole intersection or on a local area are being related total endurance life. Total endurance life method can be used for both composites, plastics, metals except iron and only if they are on the elastic zone. In addition to these specifications, this method can also be used for fatigue problems that have random vibration excitations.
For both analysis and tests, same "bad-way data" is used. Fatigue analysis have been done by applying bad-way data for every rate of fullness and damage that is a result of a single test is calculated. Total damage is calculated by using vibration table that belongs to Mercedes Benz Turk.
Damage analysis have been done following these steps; firstly, material test results are obtained using the experiments for tank that has 7 mm thickness, secondly, by using the results that are obtained in the first step, fatigue analysis have been complated for full, ¾ of full, half of full and quarter of full tanks. Static, dynamic and fatigue analysis are evaluated in terms of different rate of fullness, and then, optimization techniques are discussed on how to improve these parameters. Thickness of tank is increased to 9 mm and the difference occuring on the test results are discussed. Optimization design is done using geometric perspective and final thickness is determined according to some geometric criterion. The analysis have been done for 9 mm thickness tank with four different rate of fullness. After these analysis, fatigue analysis has been done for the tank that is designed with geometric optimization method, and the results are presented.  After observing the damage analysis for 7 mm and 9 mm thickness tanks in one loop, it is conculed that, dynamic and fatigue analysis results have respectively less damage values for 1/4 and 2/4 rate of fullness, while critic situations occur for 3/4 and 4/4 rate of fullness cases. To sum up, increasing thickness gives a results that; stress and RMS values are getting decreased, hereby so are damage values.
The results obtained when damage analysis of optimized A1 tank in one loop is investigated are that; the one that has done with 7 mm are more proone to have damage on the front zone of tank. Therefore, the damage values for full tank in one loop can be expressed as follows; 0.0125 for 7 mm thickness, 0.011 for 9 mm thickness and the last one, it is 0.00414 for optimized A1 tank. As a results, A1 tank designed to optimize front zone fatigue results has 2.65 times more life endurance compared with 9 mm tank.  
This work, which is a collabrotaion project of Mercedes Benz Turk A.Ş and İstanbul technical University, is supported by the Rupublic of Turkey, Ministry of Science,Industry and Tecnology under the project number [0488.STZ.2013-2] .