Otobüslerde kullanılan yakıt tankları dayanımının statik ve dinamik analizlerle doğrulanması
Proving strength of the fuel tanks which are used in busses by performing static and dynamic analysis
Yazar: HALİL BURAK USTAOĞLU
Danışman: PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Doğal titreşim = Natural vibration ; Doğrusal analiz = Linear analysis ; Mekanik dayanım = Mechanical strength ; Yakıt tankları = Fuel tanks ; Zorlanmış titreşim = Forced vibration

Özet:
Almanya, İspanya ve Türkiye'de üretilen tüm Mercedes ve Setra markalı otobüslerdeki yakıt tanklarının tasarım, geliştirme ve test sorumluluğunu Mercedes Benz Türk A.Ş. Araştırma ve Geliştirme (Ar-Ge) Merkezi üstlenmiştir. Bu sorumluluğun bir parçası olarak konvansiyonel çelik yakıt tanklarından plastik yakıt tanklarına geçiş sürecindeki Ar-Ge çalışmaları da Mercedes Benz Türk A.Ş. Ar-Ge Merkezi'nde yürütülmektedir. Bu tez kapsamında, yakıt tankı tasarımındaki bilinmezlerden biri olan plastik yakıt tanklarının dayanımı konusunda daha ürün geliştirme aşamasındayken bilgisayar destekli simülasyon ile tasarıma yön verecek bir simülasyon metodu geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu amaçla; dayanım testleri yapılan örnek yakıt tankının katı modeli CATIA kütüphanesinden alınıp sonlu elemanlar yazılımı MEDINA ya transfer edilerek sonlu elemanlar çözüm ağı oluşturulmuştur. İlk olarak yakıt tankına eşdeğer statik yükler uygulanmıştır. Bunun için işletme şartlarında yakıt tankının maruz kalacağı maksimum/minimum ivme yükleri (g) daha önce Mercedes Benz Türk A.Ş. Ar-Ge Merkezi Test Bölümü'nün Almanya'daki özel kötü yol pistinden toplamış olduğu ivme – zaman verisi kullanılarak tespit edilmiştir. Bu yükler altında yakıt tankının deformasyonları ve gerilme dağılımları incelenmiştir. 
Sonrasında, statik yükler ile yapılan analizler sonucunda ortaya çıkarılamayan dinamik etkilerin de incelenmesi için aşağıdaki dinamik analizler gerçekleştirilmiştir:
•	Serbest titreşim analizleri yapılarak doğal frekanslar ve mod şekilleri elde edilmiştir.
•	y ve z yönlerinde uygulanan harmonik zorlayıcılar ile frekans-cevap analizleri yapılmıştır.
•	Yakıt tanklarının titreşim tablasında kullanılan ivme-zaman test sinyali kullanılarak dinamik zorlanmış titreşim analizleri yapılmıştır.
Eşdeğer ivme yükleri ile yapılan analizler yakıt tankının tam dolu durumu için yapılmıştır. Burada yakıtın çeperlere olan etkisi hidrostatik basınç dağılımı olarak tanımlanmıştır. Test merkezinden gelen ivme – zaman sinyalindeki x, y, z yönlerinde oluşan en yüksek ve en düşük ivme değerleri alınmış, her bir yükleme koşulunda farklı oranlar kullanılarak 3 eksenli yükleme paketleri yaratılmıştır. Gergi bantları üzerinde oluşan ön gerilme de yükleme paketlerine dahil edilerek toplam 24 adet farklı yükleme koşulu oluşturulmuştur. PERMAS paket programı ile yapılan analizler sonucunda yakıt tankı üzerinde oluşan gerilmeler ve deformasyonlar incelenmiştir. Gerilmelerin ve deformasyonların yüksek olduğu bölgelerle ilgili, tasarım ekiplerine tasarımda iyileştirme gerekliliği bildirilmiştir.
Yakıt tankının dinamik davranışı hakkında da bilgi sahibi olabilmek için öncelikle tankın içi yapısal katı elemanlarla örülmüştür. PERMAS paket programı yardımı ile 5 farklı doluluk (boş, ¼, ½, ¾, dolu) oranı için serbest titreşim şekilleri elde edilmiştir. Dolu yakıt tankı için ilk genel serbest titreşim frekansı 9,2 Hz, boş yakıt tankı için 25,1 Hz olarak bulunmuştur. Aks doğal frekanslarının kabaca 10 Hz civarında olduğu göz önüne alınırsa, bu durumda dolu yakıt tankının boş olana göre, akstan gelen uyarıcı frekanslardan daha fazla etkileneceği aşikârdır. Bununla birlikte, tüm doluluk oranları için yapılan titreşim testleri sırasında, deponun ön yüzünde oluşan yüksek genlikli salınımlara benzer serbest titreşim şekilleri, yapılan analizler sonucunda elde edilmiştir.
Bahsi geçen yüksek genlikli titreşimlerin frekansa bağlı değişimini incelemek için frekans – cevap analizleri yapılmıştır. y ve z yönlerinde 0 – 70 Hz bandında bir birim genlikli sinüs dalgası uygulanmış ve ön yüzün ortasından ivme cevabı okunmuştur. y yönü için elde edilen frekans-ivme cevabı grafiğinde, 25 Hz ve 35 Hz civarlarında iki tepe noktası elde edilmiş, z yönünde yapılan analiz sonuçlarına göre de 20 Hz ve 26 Hz civarlarında iki tepe noktası bulunmuştur. Tüm bu tepe noktası frekanslarında bir rezonans etkisi olabileceği ve sonucu olarak deponun ön yüzünde de yüksek gerilmeye sahip ek bir alan bulunabileceği düşüncesiyle son aşamaya geçilmiştir.
Titreşim tablası testleri sırasında, titreşim tablasına uygulanan tüm ivme – zaman sinyali sonlu elemanlar modelinde de yakıt tankına uygulanmıştır. Tekil bir noktaya ivme uygulayabilmek için, deprem analizlerinde de çokça uygulanan büyük kütle metoduna başvurulmuştur. PERMAS yazılımı ile her bir eleman üzerinde, zamana bağlı olarak elde edilen tüm gerilmelerin karekök ortalamaları (RMS) hesaplatılmıştır. Analiz sonuçları statik analizdekilerle oldukça benzerlik göstermiş, yüksek gerilmeye sahip herhangi bir ek bölgeye rastlanmamıştır.
Bu çalışmada geliştirilen eşdeğer statik yüklere dayalı analiz metodu daha sonra başka yakıt tanklarının geliştirme safhalarında kullanılmıştır. Geliştirilen metot, yapılan testlerde bulunan dinamik kaynaklı bir iki hasar dışında oldukça güvenilir sonuçlar vermektedir. Metodun statik yükleme temeline dayanması sayesinde hızlı sonuçlar elde edilebiliyor olması ve analiz sonucunda deformasyonların incelenebiliyor olması, metodun tasarımcılar tarafından da benimsenmesini sağlamıştır.
Tüm bu olumlu geri bildirimlere rağmen, titreşim testleri sırasında oluşan hasarların küçük bir kısmı analiz ile doğrulanamamaktadır. Bunun nedenlerinden birisinin yakıt tankı içindeki sıvının yapısal katı elemanlar ile modellenmesi olduğu düşünülmektedir. Bundan sonra yapılacak çalışmalarda, yakıt tankı içindeki sıvı modellenmesinde alternatif yaklaşımlar (akustik elemanlar vb.) kullanılması, disiplinler arası metotların kullanımı (akışkan-yapı etkileşimi vb.) dinamik sonuçların doğruluğunu artıracaktır.

Abstract:
Mercedes Benz Türk A.Ş. Research and Development Center undertakes the development and testing responsibility of fuel tanks of all Mercedes and Setra Buses that are manufactured in Germany, Spain and Turkey. As a part of this responsibility, research and development process of transition from conventional steel fuel tank to plastic fuel tanks is also assigned to the R&D Center of the company. Within the scope of this thesis, it is aimed to develop a computer aided simulation method about the endurance of plastic fuel tanks that is one of the unknowns of fuel tank design process. Thus, design of product would be shaped during product development process.
For that purpose, a finite element mesh is created by transferring the solid model of the fuel tank whose endurance tests have already accomplished from CATIA library to the finite element software, MEDINA. The finite element model used for static analyses has approximately 192500 nodes and 195000 elements. Shell (QUAD4 and TRIA3) and beam elements (BECOS) are used for modeling of the tubular structural elements, fuel tank and bolts, respectively. Steel material model is defined for bus structure and retaining straps. Polyethylene material model at room temperature is used for the fuel tank. Additionally, fuel is simulated by the structural solid elements (TET4) with low elasticity module for dynamic analysis.
Initially, equivalent static loads are applied to the fuel tank. To do this, maximum and minimum gravitational (g) forces that are applied on the fuel tank during operation conditions are determined by using the acceleration-time data that Mercedes Benz Türk A.Ş. R&D Center has gathered from the torture track road in Germany. The deformations and stress distributions of fuel tanks are investigated under exposure of these loads.
Afterwards, dynamic analyses are prepared to understand the contribution of dynamic effects that cannot be obtained by static analyses:
•	Natural frequencies and mod shapes are obtained via free vibration analyses.
•	Frequency-response analyses are completed by utilizing harmonic actuators that are applied in y and z directions.
•	Dynamic forced vibration analyses are accomplished by using the acceleration-time test signal that is utilized in the vibration flange of fuel tanks.
All analysis are performed with the following assumptions and results are reviewed with the same assumptions,
•	A material property at room temperature is used for polyethylene material model.
•	Fuel tank has homogeneous wall thickness.
•	Sloshing effect of the fuel is ignored.
•	Fuel bonds with fuel tank walls and they are inseparable.
Analyses that are progressed by using equivalent g-loads are completed for the fully filled fuel tanks. In this process, the effect of fuel on the walls is defined as a hydrostatic pressure distribution. Minimum and maximum acceleration values that occur in the x, y, z directions of the test signal are collected, and 3-axes loading packages are formed by using different fractions in each load condition. Finally pre-tension loads on the retaining straps are considered. So 24 different loading conditions are created. An exemplary loading package is formed as follows when the maximum acceleration in x direction is occurs: 
	"	%100 axMAX 	%40 ayMAX	%40 azMAX
	%100 axMAX 	%40 ayMAX	%40 azMIN
	%100 axMAX 	%40 ayMIN	%40 azMAX
	%100 axMAX 	%40 ayMIN	%40 azMIN	"
Contacts are defined between fuel tank – body structure and fuel tank – retaining straps.
A visual basic macro is developed in Excel to automatically create input cards for performing analysis in PERMAS. Mentioned macro also calculates the parameters of the functions that are used to define hydrostatic pressure. 
Stresses and deformations on the fuel tank are investigated with analyses conducted using PERMAS software. For the locations on which the stresses and deformations are higher, the design team is informed about the requirement of design improvement.
Initially, the inner part of the tank is meshed by structural solid elements to be able to get information about the dynamic behavior of the fuel tank. Contacts are removed and rigid coupling elements are used instead of contact definitions. With the help of PERMAS software, mode shapes are obtained for 5 different fullness fractions (empty, ¼, ½, ¾, full). Free vibration frequencies are found as 9.2 Hz and 25.1 Hz for full and empty fuel tanks respectively. If it is assumed that the natural frequencies of axles are around 10 Hz, it becomes obvious that the empty fuel tank is more affected by the frequencies coming from the axles with respect to the full one. On the other hand, during the free vibration tests those are done for all fullness fractions, obtained mode shapes on the front face of the fuel tank are similar to the ones obtained in the test bench.
Frequency-response analyses are accomplished to investigate the variance of vibrations with high amplitudes with respect to the frequency. A sinusoidal wave in y, z directions with unit amplitude and between 0 Hz and 70 Hz bandwidth is applied, and acceleration response is read from the center of the front face. In the frequency-acceleration response graph for y-direction, two peak points around 25 Hz and 30 Hz are obtained, and for z-direction, two peak points around 20 Hz and 26 Hz are detected. The project proceeds to the last stage with the assumptions that there is a resonance effect at these peak points and, as a result of this resonance, there is an additional region along where a high stress value exists.
The acceleration-time signal that has been applied to the vibration table during the tests is applied to the fuel tank. Large Mass Method that is often utilized in earthquake analyses is used to be able to apply the acceleration to a single node. Root Mean Squares (RMS) of all stresses, in each time step, are calculated for each element with PERMAS software. The results exhibit pretty similarity with the static analyses, and there is not any additional region with high stress attained.
The analysis method that has been developed during this study based upon the equivalent static loading is then used in the development processes of other fuel tanks. Except for a few dynamic-related damages, the method produces pretty reliable outcomes. The ability to obtain results fast -thanks to the method's being based on static loadings- and the results' being able to be investigated at the end of the analyses make the designers prefer using it.
In spite of these positive feedbacks, a small amount of damages that result from the vibration tests cannot be validated by analysis. It is supposed that one of the reasons of this situation is the modeling of the fluid inside the tank with structural solid elements. In the forthcoming studies, using alternative approaches (acoustic elements, etc.) in the modeling process of the fluid in the fuel tank and interdisciplinary methods (fluid-structure interactions, etc.) increases the accuracy of dynamic results.
San-Tez, a university cooperation project with financial support from the Turkish Ministry, application was made for continuation of the project. Ministry of Labor and Industry has approved 0488.STZ.2013-2 numbered project conducted by Istanbul Technical University Faculty of Aeronautics and Astronautics and Mercedes Benz Türk A.Ş..