Şehirler arası bir otobüs modelinin devrilme dayanımının iyileştirilmesi
Optimising the rollover crashworthiness of a coach
Yazar: HASAN GÜNGÖR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA TURGUT ÖZAKTAŞ ; DR. KUBİLAY YAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Otobüs karayolu taşımacılığında kullanılan en önemli ulaşım araçlarından biridir. Her gün milyonlarca yolcu otobüsle seyahat etmektedir. Yoğun olarak kullanılan bu ulaşım aracının kaza istatistikleri incelendiğinde devrilme türü kazalarda ölü ve yaralı oranlarının oldukça yüksek olduğu görülmüştür. Devrilme türü kazalarda ölü ve yaralı oranının yüksek olma sebebi otobüs gövde dayanımlarının yetersiz olmasıdır. Bu kaza türündeki ölü ve yaralı oranlarını en aza indirmek için ECE-R 66 regülasyonu yayınlanmıştır. Bu regülasyonun  güncel hali ECE-R 66.02 dir. Bu pasif güvenlik regülasyonunda devrilme esnasında otobüs gövdesinden araçta bulunan yolcu, mürettebat ve sürücünün hayatta kalması için gerekli olan yaşam hacmini sağlaması beklenmektedir. Bu çalışmada ECE-R 66.02 yönetmeliğine uygun olmayan mevcut  bir otobüs gövde iskeleti modelinin üzerinde değişiklikler yapılarak ECE-R 66.02 yönetmeliğine uygun hale getirilmesi hedeflenmiştir.
Otobüs imalatçılarının araçlarının ECE-R 66.02 regülasyonuna uygunluğunun tespit edilmesi için iki seçeneğe sahiptirler. Bunlardan ilki gerçek testtir. Bu yöntem yüksek doğrulukla sonuç verir ancak pahalıdır ve büyük ihtimalle test sonrası araç kullanılmaz hale gelecektir. Ayrıca başarısızlık durumunda değişiklik yapılmasına müsait değildir. Diğer yöntem ise devrilme işleminin bilgisayar yardımıyla devrilme şartları sağlanarak sanal ortamda yapılmasıdır. Bu yöntem daha az maliyetlidir. Ayrıca model üzerinde değişiklik yapmaya müsaittir. Gerekli şartlar gerçek test koşullarına uygun bir şekilde ayarlandığında yüksek doğruluğa sahip sonuçlar elde edilmektedir.
Bu çalışmada LS-DYNA programı kullanılarak sanal ortamda otobüs gövde iskeleti modellerinin devrilme durumundaki durumları incelenmiştir. Literatür araştırması kısmında otobüslerin karışmış olduğu kazalar ile ilgili bilgiler verilmiştir. Otobüslerin karışmış olduğu devrilme türü kazalar ile diğer kaza türleri arasında kıyaslamalar yapılmıştır. ECE-R 66 yönetmeliğinden ve tarihçesinden bahsedilmiştir.
Çalışmada yapılan analizlerde süreden tasarruf amacıyla analizler aracın devrilmiş haldeki konumundan başlatılmıştır. Devrilmenin başladığı konumdan devrilmiş hale gelme sürecinde gerçekleşen potansiyel enerjideki azalma ise devrilmiş haldeki araç gövde iskeleti üzerine açısal hız tanımlanarak dönme kinetik enerjisi olarak uygulanmıştır. Bu açısal hızın hesaplanmasında kullanılan matematiksel ifadelere çalışmada verilmiştir. 
Olabildiğince hafif ve ECE-R 66.02 yönetmeliğine uygun bir model elde etmek amacıyla 8 adet gövde iskeleti modeli oluşturulmuştur. Bu modeler oluşturulurken yapısal değişiklikler aşama aşama anlatılmıştır. İlk 5 modelde bölgesel değişiklikler yapılmış ve bu değişikliklerin devrilme dayanımının arttırılmasına katkılarının düşük olduğu görülmüştür. Son 3 modelde ise daha köklü değişikliklere gidilerek hedeflenen otobüs gövde iskeleti modeli elde edilmiştir.
Sonuçlar incelenirken devrilme olayının fiziksel yapısını daha iyi bir şekilde ifade etmek için analiz sürecindeki enerji değişim grafikleri ve ağırlık merkezi düşey eksen değişim grafikleri kullanılmıştır. Otobüs yan duvar profilleriyle yaşam hacminin  birbirlerine en yakın olduğu durumlar mesafe ve zamanlar belirtilerek gösterilmiştir. Eski tip denilebilecek şekilde tasarlanmış bir otobüs gövde iskeleti modeli üzerinde değişiklikler yapılarak ECE-R 66.02 regülasyonuna uygun güncel tipte bir otobüs gövde iskeleti modeli elde edilmiştir.

Abstract:
The bus is one of the most important vehicles in road transportation. Everyday millions of passengers travel by bus. According to statistics about bus accidents, the rate of dead and injured people is very high in rollover type accidents. The reason of this situation is rollover crashworthiness of the bus superstructures were insufficient. To minimize the rate of dead and injured people in the bus crash accidents, ECE-R 66 came into force. Its actual version is ECE-R 66.02. In this passive safety regulation, it is aimed to provide the residual space required for the survival of the passengers, crew and drivers in the vehicle during the rollover. In this study, it is aimed to make an existing bus superstructure model which is not in compliance with ECE-R 66.02 regulation to be adjusted according to ECE-R 66.02 regulation.
According to ECE-R 66.02 regulation, the bus superstructure tips over into a ditch. The ditch height is 800 mm. The ground must be horizontal, dry and concrete. The bus superstructure should be tipped over the direction where it is weak in strength. The tilting platform angular velocity can not exceed 0.087 rad / s.
The bus manufacturers has two options to determine their buses are complying with ECE R 66 02 regulation or not. The first method is real test. The results of this method is high accuracy however, it is expensive and the bus model probably has damaged after the test. So the model can not use once more. Modifying the model is not easy. The second method is computer aided analysis. It is cheaper than real test. Modifying the model is very easy. It provides high accuracy results when the required conditions are set correctly.
In this study, the situations of the bus superstructure models using the LS-DYNA program in the virtual environment were examined. In the literature research, information about accidents involving buses was given. The rollover type of accidents and other types of accidents were compared. ECE-R 66 regulation and its history are mentioned.
In this study, rollover analysis of a bus body according to ECE R 66-02 regulation will be done. The bus is in the category M_3 and Class III. The length of the bus is 12.1 meters and the height of the bus including air conditioning system is 3.57 meters. There are 46 passengers, 1 crew and 1 driver on the bus.
The center of gravity measurement of real manufactured vehicles is carried out as specified in ECE-R 66.02 regulation. In this study, the center of gravity calculated by LS-Prepost is used, since the real model of the bus model is not available.
In order to save time, analyses were started from the overturned position of the vehicle. The decrease in the potential energy in the process of overturning from the beginning of the overturning was defined as the kinetic energy of rotation by defining the angular velocity on the overturned bus superstructure. Mathematical expressions used in the calculation of this angular velocity are given in the study.
In terms of analysis, there are basically three differences between ECE-R 66.00 and ECE-R 66.02. The first of these, the 0.75 coefficient in the energy calculation was changed to 1 in the current version. This change causes an energy increase of approximately 33%. The second difference is that in the current version, the masses of passengers, crew and drivers are in the vehicle model. 34 kg per passenger and crew and 75 kg for the driver have to be added. The last difference is that the effect of gravity in the process from the first contact with the ground to the end of rollover will also be applied to the vehicle model. This difference is seen as an increase in total energy in energy graphs.
Piecewise Linear Plasticity material model was used in deformable parts of the bus superstructure. This is an elastic-plastic material model. If stresses are below the yield stress that uses the youngs modulus in elastic region. If the stresses are above the yield stress, that uses measured stress-strain data in plastic region. LS-DYNA uses true stress and true strain datas for solution. Hence, the engineering tensile stress-strain values obtained from the tensile test should be converted to true stress-strain values by conversion formulas.
Rigid material model was used in engine, gearbox, axles, fuel tank and air conditioner. This material model is advantageous in terms of solution time since no stress-deformation calculation is done on the applied elements.
Null material model was used in the residual space. The purpose of using this material model is to clearly show the distance between the residual space and the side pillars. This material model has no contribution to strength.
In order to obtain a model as light as possible and comply with ECE-R 66.02 regulation, 8 superstructure models were designed. Structural modifications in this model are created gradually. Local modifications are made in the first 5 models. It is seen that these changes have low contribution to increase the rollover strength of the bus superstructure model. In the last 3 models, the bus superstructure model was obtained by making more radical modifications. U-shaped profiles are the most important elements of the last three models. These elements absorb the kinetic energy in the best possible way.
During the whole rollover process, the bus superstructure contacts the ground several times. However, the greatest deformations occur at the first contact. This first contact occurs within 0.3 seconds. Therefore, 0.3 seconds  is sufficient to see the worst case.
While analyzing the results, energy versus time graphs and center of gravity vertical axis versus time graphs were used in the analysis process in order to better express the physical structure of the rollover event. In these graphs, total energy and sliding energy increase and kinetic energy is converted to internal energy. To obtain reliable results, the hourglass energy must not exceed 5%. The center of gravity change on the vertical axis is important because it is correlated with the work of gravity. It also helps determine whether the rollover process continues. There are 8 sections on the bus model. Situations where bus side pillars and residual space are closest to each other are shown by indicating distance and time. 
Mass changes in all designed models are indicated. Mass is an important parameter in vehicle design. Because it is aimed to obtain a light and durable structure as possible while designing. The low mass ensures that fuel consumption and CO_2  emissions are reduced for the same distance.

The side pillars, which were designed as a continuous single piece, provided the integrity of the superstructure. This integrity greatly improved the rollover strength of the bus superstructure. In this way, bus superstructure models were created complying with ECE-R 66.02 regulation.
To sum up, the first bus superstructure model was far from meeting ECE-R 66.02 requirements. At the end of the study, the first 6 bus superstructure models do not comply with ECE-R 66.02 regulation. The last 2 bus superstructure models comply with ECE-R 66.02 regulation has been obtained by making modifications.