Yolcu güvenliğini güvence altına alan E.C.E regülasyonuna göre otobüs gövde analizi
Bus superstructure analysis according to the E.C.E regulation securing passenger safety
Yazar: FATİH HAN AVCI
Danışman: PROF. DR. CEVAT ERDEM İMRAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Otobüs, insanların toplu ulaşımda kullandıkları, günümüzün en modern
makinalarından biridir. Teknolojik gelişmelere paralel olarak, ulaşım sektöründe
kullanılan motorlu araçlar, trafik kazalarının oluşumunu engelleyecek aktif güvenlik
sistemleri (ABS, EBD, ESP, vb. gibi) ve kaza sonrası yaralanmaları ve can
kayıplarını önleyecek pasif güvenlik sistemleri (Hava yastıkları, kapı içi çelik barlar,
kaza anında katlanır pedallar, vb. gibi) ile donatılmaktadırlar.
Otobüs kazaları ile ilgili olarak yapılan araştırmalar, can kaybının ve yaralanmaların
en çok otobüsün devrilmesi sırasında ortaya çıktığını göstermiştir. Yaşanan bu can
kayıplarının, genellikle kazanın şiddetinden kaynaklanmadığı, otobüslerin gereken
gövde mukavemetini karşılayamadıkları için ortaya çıktığı tespit edilmiştir.
Otobüs gövdesinin devrilme kazası esnasında gereken mukavemeti sağlaması ve bu
sayede insanların can kayıplarının önüne geçilmesi için U.N.E.C.E (United Nations
Economic Commission for Europe) tarafından 1997 yılından itibaren yürürlüğe giren
E.C.E R-66.00 regülasyonu yayınlanmıştır. Bu pasif güvenlik regülasyonu ile
Avrupa Birliği'ne üye ülkelerde kullanılan otobüslerin gövde parçalarının, devrilme
kazası durumunda yolcuların ve mürettebatın yaşam mahalline müdahale etmesinin
önüne geçilmiştir. Söz konusu regülasyon, Türkiye'de de Avrupa Birliği' ne üye
ülkelerle eş zamanlı olarak uygulanmaktadır.
Otobüs üreticisi firmalar tarafından, E.C.E R-66 regülasyon şartına uygunluğun
ispatı için iki yöntem uygulanabilmektedir. Birinci yöntemde, prototipi üretilmiş
araç, ilgili şartlara uygun olarak tasarlanmış test düzeneğinde fiili olarak devrilir.
Araç gövdesinin, yolcuların ve mürettebatın yaşam mahalline girişimde bulunup
bulunmadığı tespit edilir.
İkinci yöntemde ise, birinci yöntemdeki şartlar bilgisayar ortamında sağlanır ve sonlu
elemanlar yöntemi tabanlı yazılımlar kullanılarak, otobüs bilgisayar ortamında
devrilir. Kullanılan yazılımın ve metodun güvenilirliği, otobüs gövdesinin kısmi bir
bölgesinin fiziksel olarak devrilmesi sonucu bulunan sonuç ile aynı kısmi bölgenin
bilgisayardan elde edilen simülasyon sonucu karşılaştırılarak elde edilir.
Günümüzde otobüs üreticisi firmalar genellikle ikinci yöntemi kullanmaktadırlar.
Birinci yöntem hem pahalı bir yöntemdir hem de optimizasyon yapma şansını
sınırlamaktadır. Çünkü otobüs gövdesinde yapılacak her tasarım değişikliğinde bir
adet otobüsün fiilen devrilip hurdaya ayrılması gerekmektedir. İkinci yöntemde ise
optimizasyon yapma şansı çok daha yüksektir. Yapılacak her tasarım değişikliği
bilgisayar ortamında simülasyona tabi tutulabilmektedir. Bu sayede daha hafif ve
daha mukavim gövde yapısına ulaşılabilmektedir. 
U.N.E.C.E tarafından yayınlanan ve 09 Kasım 2017 tarihinden itibaren ilgili tüm
araçlar için yürürlüğe girecek olan E.C.E R-66.02 regülasyonu ile otobüs gövdesinin
devrilme esnasında absorbe etmesi gereken enerji bir önceki regülasyona göre
yaklaşık %90 oranında artmıştır. Bu mukavemeti sağlamak için yapılacak tasarım
değişiklikleri araç ağırlığını arttırabilecektir. Ayrıca aracın ön ve arka aks taşıma
kapasiteleri de göz önünde bulundurulduğunda, E.C.E R-66.02 şartını sağlamak için
azami yolcu sayısını ve müsaade edilen bagaj ağırlığını azaltmak gerekebilecektir.
Bu çalışmada, otobüs gövde konstrüksiyonunun Ansa yazılımı marifetiyle sonlu
elemanlar modeli ağ yapısı oluşturulmuş ve Ls-Dyna yazılımında da devrilme
simülasyonları gerçekleştirilmiştir.
Bilgisayar ortamında yapılan işlemlerin güvenilirliğini tespit etmek için otobüs kısmi
gövdesi öngörülen şartlarda fiilen devrilmiştir. Ayrıca aracın ağırlık merkezinin
bilgisayar ortamındaki koordinatlarının gerçeğe uygun olabilmesi için prototip aracın
ağırlık merkezinin koordinatları fiilen yapılan ölçümler sonucu hesaplanmış ve
bilgisayar modeline bu gerçek koordinatlar girilerek analiz yapılmıştır. Bilgisayar
sonuçları ile fiili test sonuçları karşılaştırılmıştır.
Yapılan çalışmalar ile E.C.E R-66.02 şartlarını sağlayan, yolcu ve bagaj taşıma
kapasitesinin azaltılmasını gerektirmeyen, güvenli bir otobüs gövde iskelet
konstrüksiyonu elde edilmiştir.

Abstract:
A bus is one of the most modern motor vehicles which is used for people's mass
transportation ranging from either low to high ranges. In parallel to technological
improvements the transportation vehicles are equipped with the active safety systems
such as ABS, EBD, ESP, etc. and the passive safety systems such as airbags,
embedded door reinforcements, foldable pedals, etc.
According to the research made until today the highest casualties and injuries occur
during a rollover accident. And it is seen that- in general - these casualties are not
because of the severity of the accident but mostly because of lack of strength of the
bus superstructure.
Thus, to maintain enough body strength preventing casualties the E.C.E R66.00
regulation was put into force by U.N.E.C.E (United Nations Economic Commission
for Europe) since the year 1997. The E.C.E R66.00 regulation is basically a tilting
test where the bus is put on a 800 mm high platform and the platform is slowly
rotated until the bus starts to free fall. Shortly after starting a free fall the bus
structure (roof edge) hits the ground and the body starts to absorb the occurred
kinetic energy during elastic-plastic deformation.
While experiencing the deformation the vehicle also slides on the ground generating
some friction energy. The most critical deformation zones are the junctions of
sidewall pillars and the transverse profiles. These zones are called plastic hinges and
they experience the highest level of plastic strain compared to other deforming parts.
For this reason plastic hinges are the primary zones to focus on while trying to
improve the design for a good rollover crash performance.
The regulation applies to class M2 and M3 vehicles carrying at least 16 passengers.
Thanks to this regulation, for the busses operating in European Union member
countries, structural intrusion in the so-called survival space of the vehicle is
prevented during a rollover accident and this precaution secures passenger and the
crew safety. This regulation is in force also in Turkey and the produced bus vehicles
are obliged to satisfy the requirements set forth by the regulation.
There are two major methods applied by the bus manufacturers towards the approval
of E.C.E R-66 regulation. In the first method a physical test set-up is created to
rollover a full vehicle prototype from a prescribed 800 mm high platform. Upon the
completion of the test the measurements are evaluated and the distance from the
deforming body to the survival space at the worst instant is investigated. In the
second method a simulation methodology (with finite elements method) is developed
through a series of validation studies and by using relevant FEM software the bus
rollover test is performed in computer environment. 
The validation studies include material coupon tests to obtain true stress-strain
curves, material characterization with 3-point-bending tests applied on particular
body structure components (i.e. breast knot or roof-edge knot) and test vs simulation
correlation applied on a so-called body section of the bus superstructure.
The FEM model parameters and the material model are fine-tuned until reaching a
good level of approximation. As for validation, ground friction coefficient is also one
of the most important parameters influencing the accuracy of the simulation results
and therefore it is also investigated by performing particular test and simulation
studies to obtain a reliable simulation methodology.
Today, the vast majority of the bus manufactures follow the simulation method
because the first method (Physical test on a full-scale vehicle) is both expensive and
not reproducible. In other words it is difficult and so much time consuming to repeat
the tests for obtaining an optimal design. And also it is rather expensive not only
because of test set-up and measurement matters but also it is inevitable that each test
results in getting a scrap vehicle eventually. However, the simulation method
definitely enables the engineers or researchers to perform optimization studies once
they provide a reliable simulation model. The virtual environment empowers
innovation and gives the user a feasible opportunity to try out the ideas to attain
lightweight yet high strength superstructure satisfying the rollover safety
requirements.
The required superstructure energy absorption percentage is increased by %90
(compared to R-66.00) with the E.C.E R-66.02 regulation which is released by
U.N.E.C.E and which will come into force starting November 9th, 2017. This new
version of the regulation orders to introduce half weight of the seated passengers and
the survival space is redefined to occupy a space throughout the vehicle axis taking
also the foremost and rearmost pillars into play. The countermeasures to be taken to
satisfy the new regulation requirement might cause a body weight and cost increase.
Besides, considering the maximum allowed axle weight, it might even result in
reducing the maximum number of passengers or allowed luggage weight just to
satisfy the new requirements coming with E.C.E R-66.
In the context of this thesis the parts comprising the bus body are designed to have
more strength yet reduced weight and high strength steel materials are used where
necessary. The dynamical FEM model (Stiffness, mass and mass distribution is
represented at a high level of accuracy) of the designed bus structure is prepared with
the specialized preprocessing software Ansa and the rollover crash analyses are
performed with the commercial code Ls-Dyna.
Ls-Dyna is mainly an explicit-dynamic FEM code developed by Livermore Software
Technology Corporation located in California, U.S.A. It is especially developed for
low-to-hypervelocity impact events. It has an explicit time integration scheme based
on central difference numerical method which is mathematically well suited for
better capturing the consequences of highly transient physics. That is why it is
globally widespread among the crashworthiness and safety departments of various
industries.
To establish a reliable FEM simulation, a simulation vs test correlation study is
performed on a bus body section using the prescribed initial conditions. In addition
to that, the mass center of gravity (CG) of a full-scale bus is measured with physical
tests and the mass distribution of the dynamical simulation model is fine-tuned to
accurately match the real CG. Upon obtaining a proven simulation methodology the 
computer simulation is performed and the deformation results are compared to those
from the physical test. With all the effort given, a safe bus superstructure design is
obtained which conforms the E.C.E R-66.02 regulation and does not require reducing
the maximum allowed number of passengers or the maximum allowed luggage
weight.