Yolcu vagonu için çarpışma enerjisi sönümleyici tasarımı
Energy absorber design for passenger wagon
Yazar: SELEN SAĞSÖZ KARAKULAK
Danışman: PROF. DR. ATA MUGAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Raylı Sistemler Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Demiryolu araçlarının kullanımı sırasında meydana gelebilecek kazalar birçok yaralanma ve ölüm vakasını da beraberinde getirmektedir. Demiryolu araçlarının çarpışma güvenliğini sağlamak amacı ile deray, tırmanma ve iç içe geçme gibi vagonların farklı çarpışma senaryoları değerlendirilir. Bu senaryoların gerçekleştiği durumda yolcuların en az derecede etkilenmesini sağlamak için, demiryolu vagonu çarpışma enerji yönetimi (CEM) sistemi kavramı ortaya çıkmıştır. CEM sistemleri, vagonun çarpışması anında oluşan kinetik enerjinin kontrollü bir şekilde sönümlenmesini ve yolcuların üzerine gelen ivmeyi azaltılarak, ölümcül yaralanma riskini düşürür.
Bu çalışmada; geleneksel bir yolcu vagonunun çarpışması sırasında, yapıda meydana gelen burkulmaları ve deformasyonu kontrollü hale getirerek, enerji sönümünü sağlamak için enerji sönümleyici tasarımı yapılmıştır. Kare, dairesel, konik ve altıgen kesitli ince cidarlı tüplerin sonlu eleman modelleri hazırlanarak, rijit plaka yardımı ile darbe uygulanmış ve darbe altındaki deformasyon modları, enerji sönüm kapasiteleri karşılaştırılmıştır. En fazla enerji sönüm kapasitesine sahip olan dairesel kesitli tüp seçilerek çalışmanın devamında kullanılmıştır.
Diğer yandan literatür çalışmaları incelendiğinde, yüksek ağırlığa sahip ulaşım araçlarının çarpışma anında enerji sönümleyici yapılarının tasarımında Al köpük malzemelerin yaygın olarak kullanıldığı görülmüştür. Bu nedenle bu çalışmada da Al köpük malzemenin enerji sönümleyici tasarımında kullanmanın sisteme ne kadar fayda sağlayacağı araştırılmıştır. Farklı yoğunluğa sahip Al köpükler, darbe altında iken farklı enerji sönüm davranışları göstermektedirler. 0,35 g/cm3 ve 0,48 g/cm3 yoğunluğa sahip iki farklı Al köpük, bir adet içi boş kare tüp ve içi köpük doldurulmuş bir kare tüpe basma yükü uygulanmış ve deforme olma, enerji sönüm kapasiteleri karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma sonucunda, beklendiği üzere içi Al köpük dolu tüplerin daha fazla enerji sönümlediği görülmüştür. En fazla enerji sönümünü 0,48 g/cm3 yoğunluklu Al köpük ile doldurulmuş tüpün sağladığı saptanmıştır. Basma testinden elde edilen kuvvet -  yer değiştirme grafiğinden alınan değerler malzeme modeline girdi oluşturmuştur. Bu değerler ile iç içe geçmiş içi boş dairesel kesitli tüp, iç içe geçmiş içi Al köpük dolu dairesel kesitli tüp ve içi boş tüp, içi Al köpük ile dolu dairesel kesitli tüpe rijit plaka yardımı ile 50 km/s hızda darbe uygulanmıştır. Çarpışma anında gelen darbeler her zaman 00 açı ile olmayabilir bu nedenle enerji sönümleyicinin açılı gelecek darbelere karşı da dayanıklı olması beklenir. Yapılan karşılaştırmada 00 ve 300'lik açılar ile tüplere darbe uygulanmıştır. Karşılaştırma sonucunda içi köpük dolu olan tüpün hem 00 hem de 300'lik açı ile gelen darbelere karşı en iyi enerji sönümünü gösterdiği görülmüştür.
Çalışmada enerji sönümleyici tasarlamak üzere herhangi bir CEM sistemine sahip olmayan geleneksel bir yolcu vagon modeli üzerinde çalışılmıştır. Vagonun tavan, taban ve yan duvarları olmak üzere ana bileşenleri Altair HyperWworks/HyperMesh ile modellenmiştir. FE modeli hazırlanırken kabuk ve üç boyutlu katı elemanlar kullanılmıştır. Boji ağırlıkları, bojilerin vagon üzerinde bağlandıkları yerlere noktasal yük olarak tanımlanmıştır. Vagonun maksimum yüklü ağırlığı TCDD'nin kullandığı yolcu vagonları dolu ağırlıkları göz önünde bulundurularak hesaplanmıştır ve vagon üzerinde modellenmeyen diğer komponentler araç üzerinde noktasal yük olarak dağıtılmıştır. Çalışmanın bu kısmında, geleneksel yolcu vagonunun 50 km/s hız ile rijit bir duvara önden çarpması durumu simüle edilmiştir. Sınır koşulları belirlenirken uluslararası standartlar ve test koşulları göz önünde bulundurulmuştur. FE analizler RADIOSS çözücüsü ile gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda vagonun taban bölgesinde burkulma meydana geldiği ve yeterli düzeyde enerji sönümleyemediği, buna bağlı olarak da deformasyonun yolcu bölgesine doğru ilerlediği görülmüştür. Bu nedenle geleneksel vagon için Al köpük kullanılarak burkulmaları engellemek ve enerji sönümünü arttırmak hedeflenmiştir.
Enerji sönümleyici sistemin optimum tüp kalınlığını bulabilmek için Altair HyperWorks/HyperStudy kullanılmıştır. Sisteme kısıt olarak dairesel kesitli tüpün et kalınlığı ve malzemesinin akma dayanımı girilmiştir. İterasyonlar en fazla enerji sönümünü sağlayacak et kalınlığı ve ona karşılık gelen akma dayanımı değeri bulunmuştur.
Tez kapsamında geliştirilen enerji sönümleyiciye referans olması için kullanılan geleneksel vagonun sonlu eleman analizleri, çarpışma enerjisinin sönümlenmesi için ezilme bölgesinin tek başına yeterli olmadığını göstermiştir. Bu nedenle ezilme bölgesinde yapısal değişiklikler yapılmış ve kontrollü enerji sönümü için, içi Al köpük dolu dairesel kesitli tüpler kullanılarak enerji sönümleyiciler yerleştirilmiştir. CEM vagonunun sonlu eleman analizleri, burkulmaların engellendiğini ve enerji sönümünün yolcu alanına ilerlemeden sönümlenebildiğini göstermektedir. Aynı zamanda geleneksel yolcu vagonuna göre daha uzun sürede yavaşladığı görülmüştür. Bu da yolcu üzerine gelen ivmenin daha düşük olduğunu ve ölümlü yaralanma riskinin daha düşük olduğunu göstermektedir.

Abstract:
New designs and transportation solutions are being developed that will be an alternative to existing transport vehicles with the work done to reduce transportation problems. With the increase in the population, the need for more people and freight transportation, as in all transportation vehicles, required the work on railway vehicles. While these studies are carried out, the loading and operation condition of the design are taken into consideration. These conditions have been changed with people's new demands emerging from the day, and have revealed new constraints. One of these constraints that we experience is collision security. In addition to the trouble-free operation of the vehicles under all loading conditions, it is desirable to minimize the loss of life and property in case of a possible incident. Therefore, as in all transportation vehicles, collision safety has gained importance in railway vehicles and different studies have been carried out in order to control the energy generated in the event of collision
Considering the size, velocity and weight of the railway vehicles, it is seen that the energy to be absorbed is also very large. The energy that is released causes a great deal of buckling and unrestrained movement. To improve the safety of passenger cars, CEM (Crash Energy Management) systems have developed an alternative strategy. The CEM system includes strategically located crush zones to ensure the collision energy to be absorbed through the body. Depending on cruising speed and structure, trains have their own structural elements and energy absorbing properties of the trains. In this study, energy absorber design is made for a conventional passenger car which does not have CEM system, and it is ensured more energy to be absorbed and controlled deformation of the existing car in case of collision.
These systems need to be optimized and work correctly. It is necessary to compare the outputs of alternative designs when performing optimization studies. This is possible with the help of tests, but for each new design, testing with a real wagon leads to both cost and time loss. Since it is not possible to perform a real test for each individual experiment, in order to compare the designs and to obtain the most useful solution, calculations are made by the finite element method. For finite element analysis of complex models with many components, the completion of the FE model requires a long process. Nevertheless, in the design and product development stages of a finite element model which gives consistent results with physical tests, it increases the importance of this method which has the flexibility to respond easily to the results of iterations and it can be repeated with much lower costs. Hence, in this study, different designs are compared by using finite element analysis.
In the design of the energy absorber, it is aimed to increase the safety of the wagons against accidents on the basis of the relevant safety criteria in international standards. In the first chapter, the studies to increase the safety of the passenger cars during the accident are analyzed. In addition, the crush behavior of the thin-walled tubes and Al-foam structures in the literature under impact loads, the energy-absorbing properties and the crashworthiness optimization with the Response Surface Method (RSM) are investigated. In the second part, finite element models of square, cylindrical, conical, hexagonal and thin-walled tubes are prepared and then applied load with rigid plates, it is hereby compared that deformation modes and energy absorbing capacities under impact. The cylindrical tube with the most energy absorption capacity is selected and used in the continuation of the study.
On the other hand, in the literature studies, it is observed that Al foam materials are commonly used in the design of energy that has been released at the time of collision absorbing structures of high-weight transportation vehicles. Therefore, in this study, it has been evaluated how the use of Al foam material in energy absorber design will benefit the system. Al foams with different density show different energy absorbing behaviors under impact. Two different Al foam with a density of 0.35 g / cm3 and 0.48 g / cm3, a empty square tube and a square filled tube filled with foam are applied, then deformed and energy dissipation capacities are compared. As a result of the comparison, it is observed that Al-foam-filled tubes had more energy absorbing than expected. It is found that the most energy absorption is an Al-foam-filled tube with a density of 0.48 g / cm3. The values obtained from the force - displacement graph obtained from the compression test have created input to the material model. With these values, the nested tube with empty cylinder section, the nested tubular tube filled with Al foam and the empty tube ire applied impact with the help of the rigid plate at a speed of 50 km/h. In the event of a collision, the pulses may not always be at 0° angles in the horizontal axis, so the energy absorber is expected to withstand an angular impact. As a result of the comparison, it is seen that the foam-filled-tube showed the best energy absorption against the impact coming from both 0° and 30° angle.
In the study, a conventional passenger car model, which does not have a CEM system, has been studied to design an energy absorber. The main components of the car including the roof, floor and side walls are modeled with Altair HyperWworks / HyperMesh. Shell and three-dimensional solid elements are used to prepare the FE model. The bogie weights are defined as the nodal mass of the bogies on the wagon. The maximum loaded weight of the wagon is calculated by taking into account the full weight of the passenger car used by the TCDD and the other components modeled on the wagon are distributed as nodal mass on the vehicle. In this part of the study, the situation of the conventional passenger car crashing against a rigid wall at a speed of 50 km/h is simulated. International standards and test conditions are taken into account when determining boundary conditions. FE analyzes are performed with RADIOSS solver. As a result of the analyzes, it is observed that buckling occurred in the floor area of the wagon and did not absorb enough energy. Therefore, it is aimed to prevent buckling and increase energy absorption by using Al Foam for conventional wagon.
Altair HyperWorks / HyperStudy is used to find the optimum tube thickness of the energy absorption system. As a limitation to the system, 2 mm - 4 mm tube thickness input and the yield stresses of widely used materials are given 235 MPa - 420 MPa. Energy absorption capacity has been taken as an output depending on energy, thickness and material yield stress. As a consequence of the optimization, it can be seen that one foam-filled-tube can absorb maximum 2.13 MJ energy with 3.4 mm and 3.9 mm wall thickness. When considering the cost and lightness elements, it will be correct to use a 3.4 mm thick tube. When iterations are analyzed to find the optimum material corresponding to this thickness value, it is concluded that using the material with the yield stress of 408 - 414 MPa in the energy absorber design would give the best result in terms of energy absorption.
In the finite element analysis of the conventional passenger car, it has been observed that the crush zone is very rigid and does not absorb the energy sufficiently because it does not undergo deformation. It is seen that the crush zone designed to reduce the rate of injury of passengers is not deformed as required in the conventional car. Energy is moving ahead of the crush zone, but bucklings occur in these areas as well.
A crush zone of 900 mm length is calculated to absorb 3,56 MJ of energy. The crush zone of the wagon is approximately 830 mm long, indicating that the energy will move towards the passenger area at the time of the collision and undesirable deformations may occur in this part. For this reason, structural changes are applied in the crush zone of the conventional wagon. In the finite element analysis iterations, it is observed that 67% of the energy released during the collision was absorbed. In this case, 1.17 MJ energy should be absorbed in the 2nd zone. It was estimated that 2.1 m long foam was needed to absorb energy using only Al-foamed tubes. In the optimization study, it is seen that the 3.4 mm thick tube filled with foam could absorb 2.13 MJ energy. However, the use of a circular cross-section tube with a foam thickness of 1 mm, with a yield stress of 240 MPa, is sufficient to absorb approximately 1.7 MJ of energy.
As a result of the finite element analysis, it is seen that the conventional wagon could stand at 140 ms and the CEM wagon could stand within 170 ms. This shows that the conventional wagon slows down 21% faster. Sudden speed changes can lead to high accelerations, which can cause fatal injuries. The level of injury relates to the application size, duration and direction of application of the acceleration forces. The direction in which the accelerator force is applied to the body is an important factor in determining the body's tolerance to a stroke and the risk of injury. Thanks to its energy-absorbing design, the CEM wagon is slowed down with a lower acceleration than the conventional wagon.
In this thesis study, the force, acceleration, deceleration and energy absorbing behaviors of the conventional wagon and CEM wagon in the event of a 50 km / s crashing into the rigid rim are studied. As a result of the comparisons, it is observed that the car with CEM system has better collision performance than conventional wagon.