Seyahat otobüslerinde ECE-R/66-02 regülasyonuna göre tasarlanan yanduvar-altyapı bağlantı konseptinin optimizasyonu
Optimization the node concept of the base structure –side wall, which was desinged according to ECE-R/66-02 regulaton on coaches
Yazar: AHMET KOŞTUROĞLU
Danışman: PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Otobüsler, gerek ekonomik olması gerekse de kolay ulaşılabilirliğinden dolayı yük-sek talep gören toplu taşıma araçları sınıfındadırlar. Yüksek sayıda insan taşıma-sından dolayı, güvenlik açısından diğer binek araçlarına göre daha kritik ve önemi daha yüksek olarak değerlendirilmektedirler. 
Karayollarında oldukça farklı kaza çeşitleriyle karşılaşılmakta ve uzmanlar en çok, doğal olarak, çarpışma kazaları üzerine durmaktadırlar. Bu tarz kazalar hemen he-men her gün karşımıza çıkmaktadır. Bunlar üzerine birçok güvenlik sistemi çıka-rılmış ve oldukça başarılı olmuştur.
Araştırmalar göstermektedir ki; otobüsler için en yıkıcı ve en fazla can kayıplarının yaşandığı kaza çeşitleri devrilmeler olmuştur. Bu kaza çeşitleri ile çok fazla karşı-laşılmamakta ancak diğer kazalara oranla yolculara 5-6 kata daha zarar verici ol-maktadır. 
Bu bağlamda U.N.E.C.E (United Nations Economic Commission for Europe) tara-fından devrilmeler üzerine bir standart oluşturulması öngörülmüş ve 1997 yılında ECE R 66.00 regülasyonu yayımlanmıştır. Bu regülasyon, devrilme anında araç karoserisi içerinde bir yaşam alanı tanımlar ve bu alanda yolcu yaşamını korumayı öngörür.
ECE R66 regülasyonu genel anlamda devrilmelerde yolcu yaşamını korumaya yö-nelik bir bildiridir. Bildirinin tariflediği; belirtilen komponentlerin de eklendiği bir araç karoserisi yerden 800 mm yüksek bir platformdan yana devrilmek suretiyle beton zemine serbest bırakılır. Devrildikten sonra tanımlanan yaşam alanına hiçbir girişimin olmadığı ve karoserinin bozulmadığının gözlenmesi gerekmektedir. 
Gelişen ve değişen şartlara ayak uydurmak adına komisyon önce ECE R66.01 ve sonrasında ECE R66.02 versiyonlarını yayımlayarak şartları biraz daha ağırlaştır-mıştır. Versiyon 0 ile 1 arasında yolcu ağırlıklarının eklenmesi ve yapının %90 a varan daha yüksek enerji sönümlemesi talep edilmiştir. Versiyon 2'de ise istek ha-linde çift katlı otobüslere de bu şartların sağlanması istenmiştir. Bu değişimler so-nucunda araç karoserilerinde de bir takım ciddi iyileştirilmeye gidilmesi zorunlulu-ğu doğmuştur.
Regülasyon bu şartların kontrolünü iki farklı yöntemle sağlamaktadır. Birincisi, fiziki olarak tamamlanmış bir aracı, regülasyonun tanımladığı şartlarda gerçekten devirerek yaşam alanının kontrolünü sağlamasıyla olur. İkincisi ise; güvenilirliği testlerle tescillenmiş bir analiz programı vasıtasıyla tüm aracı sanal ortamda devi-rerek şartların sağlanıp sağlanmadığının kontrolünü yapmaktır. Takdir edildiği gibi ilk yöntem oldukça masraflı ve uygulanabilirliği zor bir yöntemdir. Zira ilk dene-mede başarılı olmadığı takdirde araçta herhangi bir iyileştirilmenin yapılıp tekrar tekrar aynı testin gerçekleştirilmesi hem zaman hem de bütçe açısından verimsiz bir uygulama olacaktır. Bu bakımdan firmaların neredeyse tamamı LS-Dyna isimli bilgisayar programı vasıtasıyla şartları simule etmektedirler. Program üzerinde düzeltme ve uygulama hem daha hızlı hem de maliyet açısından daha avantajlı ol-maktadır.
Tez çalışmasında da benzer yol izlenerek fiziki araç devrilmesi yerine LS-Dyna programı ile yapılan optimizasyon çalışmasının tüm araçta etkisi incelenmiştir. Çalışmalar için hali hazırda ECE R66.02 şartlarını yerine getiren bir araç ailesi ele alınmış ve mevcut güçlendirmelerin optimizasyonu planlanmıştır. 
Araçların altyapı-yan duvar birleşimlerinde bulunan yüksek mukavemetli ve kalıplı parçalar incelendiğinde maliyet açısından dezavantajlı yapılar olarak göze çarpmış-tır. Bu parçaların değişimi ve en az bu parçalar kadar mukavim ve daha az maliyetli bir yapının bulunması planlanmıştır.
Bölgesel inceleme ve yapının optimizasyonu için problem çözme yöntemlerinden TRIZ yöntemine başvurulmuştur. Bu yöntem, sıfırdan bir çözüm yaratmak yerine önceden yapılmış olan ancak farklı alanlarda kullanılmış yöntemleri kullanıcıya sunar ve fikir yönlendirmesi yapar. TRIZ yönteminde bulunan 13 farklı metottan 39x39 çelişki matrisi metodu kullanılmış ve yöntem hem mevcut çözümü ( parçala ve yuvarlat ) hem de çalışmada kullanılacak olan çözümü (kompozit yapı desteği) önermiştir. Buradan hareketle karoseriye mevcut yüksek mukavemetli ve kalıplı parçalar yerine kompozit yapının desteği çözümü üzerine gidilmiştir.
Kompozit yapıların farklı çeşitlerinin olması ve davranışlarının takibi açısından ITU (İstanbul Teknik Üniversitesi) Makine Fakültesi Laboratuvarlarında çekme-basma, 3 nokta büküm ve drop-tower testleri uygulanmıştır. 
İlk noktada altyapı-yan duvar bağlantı bölgesine karbon fiber plaka şeklinde bir destek öngörülmüş fakat bu yapının oldukça yetersiz olduğu gözlemlenmiştir. Bu noktadan sonra 6 farklı çözüm denenmiş ve nihayetinde yapıyı saran 3 yüzeyi 5 er katman ve alt yüzeyi 2 katmandan oluşan 0/90 dizilimli glass fiber yapıda optimum çözüm olarak karar kılınmıştır.
Bu testler ITU lisans öğrencileri tarafından ANSYS programlarında da doğrulanmış ve malzemelerin bilgileri çıkarılmıştır. Sonrasında bu bilgiler LS-Dyna programın-daki kompozit malzeme kataloğunda bulunan en uygun malzeme seçimi için girdi bilgisi olarak kullanılmıştır.
Bu bilgiler ışığında elde bulunan mevcut yapı ile kompozit destekli yapı LS-Dyna programında koşturulmuş ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde bir takım ilavelere ihtiyaç olduğu gözlemlenmiş ve gelecek çalışmalar için bir be-lirleyici olacağı görülmüştür.
Çözüm maliyet açısından incelendiğinde hedeflenen tasarruf mevcut yapıya göre %25, ağırlık tasarrufu da %4 olarak planlanmıştır. Mevcut çalışmalar sonucunda ortaya çıkan maliyet tasarrufu istenilene yakın olarak %23 civarlarında olmakla beraber, ağırlık konusunda benzer bir değere ulaşılmıştır.

Abstract:
Buses are high in demand among public transportation vehicles segment due to being affordable and easily available. They are considered to be more critical and important in terms of security compared to other passenger vehicles because they can transport a large number of people at a time.  
There are various types of accidents on the highways and naturally, experts mostly focus on crash accidents. Such accidents occur almost every day. Many security systems have been developed about these accidents and most of them have succeeded.
Studies show that the most destructive accidents with the highest death toll for buses are rollover accidents. This type of accidents are not common, but they are 5-6 times more destructive for passengers compared to other accident types. 
In this regard, U.N.E.C.E (United Nations Economic Commission for Europe) decided to establish standards for rollovers and regulation ECE R 66.00 was released in 1997. This regulation identifies a living space inside the vehicle's body frame in the event of a rollover and anticipates to save the passengers' lives within that space.
Regulation ECE R66 is overall the first regulation that aims to protect passengers' lives in the event of a rollover. According to the regulation; a body frame with the specified components is released sideways from a platform which is 800 mm above the ground to roll over. After the rollover, it must be observed that the specified living space is not intruded and the body frame is not broken. 
In order to keep up with the advancing and changing conditions, the commission made the conditions stricter by releasing version ECE R66.01 and then ECE R66.02. Between Version 0 and 1, addition of passenger weights and 90% more energy absorption for the structure is requested. In Version 2, optional compliance for these conditions is requested for double decker buses. After these changes, the necessity to seriously enhance the vehicle body frames has emerged.  
Regulation controls these conditions with two different methods. In the first method; a physically complete vehicle is rolled over with the specified conditions identified in the regulation and the living space is checked. In the second method; an analysis software, whose reliability is confirmed with tests, is used to virtually roll the vehicle over and check if the conditions are met.  Predictably, the first method is very costly and hard to implement. If the first try is not successful, making enhancements and repeating the test will be inefficient in terms of time and budget. In this respect, almost all companies use a computer software called LS-Dyna to simulate the conditions. Making adjustments and implementations on the software is quicker and more cost effective.
A similar method was used in this thesis so instead of a physical vehicle rollover, the effect of the optimization to the whole vehicle is observed via LS-Dyna software.  A vehicle family that is already compliant with the ECE R66.02 was used for the tests and optimization of the existing reinforcements were planned.  
It's observed that high strength and molded parts in the base structure-side wall joints of the vehicles were deemed as disadvantageous in terms of cost. Replacing these parts and finding lower cost structures as strong as these parts was planned.
TRIZ method was used as a problem solving method to perform zonal examination and optimization of the structure. This method provides the user with previously implemented methods which were used in different areas, instead of creating a new solution, and directs suggestions. Among 13 different methods in TRIZ, 39x39 contradiction matrix method was used and the method suggested both existing solution (breaking down and rounding) and the solution used in the study (composite structure support).  Thus, instead of adding existing high strength and molded parts to the body frame, supporting the composite structure solution was chosen.
Tension-compression, 3-point bending and drop-tower tests were applied in ITU (İstanbul Technical University) Faculty of Mechanical Engineering Labs, to monitor the behavior of different types of composite structures. 
Initially, carbon fiber plates were suggested to be used as support in the base structure-side wall joint area, but the observations showed that this structure would not be sufficient. After that, 6 different solutions were tried. Eventually, five 0/90 layered glass fibers on the 3 surfaces that cover the structure and two 0/90 layered glass fibers on the bottom surface was decided as the optimal solution.
The tests were confirmed by undergraduate ITU students in ANSYS program and information about the materials were gathered. These information were then used as entry data for the optimal material choice in the composite material catalog of LS-Dyna software.
Existing structure and composite-supported structure were run in LS-Dyna software and the results were evaluated. Examination of the results showed that making some additions is needed and this study will be indicative for future studies. 
When the solution was examined in terms of costs, target savings compared to the existing structure was planned as 25% and weight savings were planned as 4%.  23% cost savings that was achieved with this study is close to the desired values and weight savings is also similar to the target value.