Dinamik sonlu eleman analizleri yardımıyla otobüslerde kullanılan polietilen yakıt tanklarının dayanımının incelenmesi
Durability assesment of polyethylene fuel tanks used in buses via dynamic analysis
Yazar: GÖKAY SİMİTÇİOĞLU
Danışman: PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Günümüzde, otobüslerde kullanılmakta olan konvansiyonel metal yakıt tankları yerini plastik yakıt tanklarına bırakmaktadır. Bilindiği gibi, sanayi ve üniversite arasında önemli bir köprü vazifesi gören Santez projeleri yardımıyla bunun gibi katma değeri yüksek problemlere çözüm bulmak kolaylaşmaktadır. Bu çalışmada, polietilen yakıt tanklarının; statik, dinamik ve yorulma analizlerine dayalı, devlet destekli geliştirme-tasarım projesinin bir kısmı sunulmuştur. 
Projenin genelindeki iş paketleri ve amacı şu şekildedir:
Almanya,  İspanya ve Türkiye'de üretilen tüm Mercedes ve Setra marka otobüslerdeki yakıt tanklarının tasarım, geliştirme ve test sorumluluğunu Mercedes-Benz Türk A.Ş. (MBTürk) Ar-Ge merkezi üstlenmiştir. Bu amaçla konvansiyonel çelik yakıt tanklarından plastik yakıt tanklarına geçiş sürecindeki Ar-Ge çalışmaları da MBTürk Ar-Ge Merkezi'nde yürütülmektedir. Bu SANTEZ projesi (0488-STZ-2013-2) 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 simülasyon metodu kullanılarak izlenilecek geliştirme süreci hızlandırılacak, test gereksinimleri azaltılacak ve önemli ölçüde zaman ve işgücü kazancı sağlanacaktır. 
31.10.2015 tarihi itibariyle başarıyla sonuçlanan projenin son durumu ve gerçekleştirilen hedefler iş paketleri bazında aşağıdaki şekilde özetlenebilir.
İş Paketi 1 (10 ay) 	: Polietilen Malzeme Testleri
İş Paketi 2 (10 ay)	: Literatür Taraması, Yakıt Tanklarının Statik ve Dinamik Analizleri
İş Paketi 3 (4 ay)	: Yorulma ve Geometrik İyileştirme
İş Paketi 4 (2 ay)	: Prototip Üretilmesi
İş Paketi 5 (2 ay)	: Titreşim Tablası Testleri
Bu iş paketleri kapsamında;
i)	Sonlu elemanlar analizlerinde kullanılmak üzere yakıt tankında kullanılan malzemenin mekanik ve fiziksel özellikleri, polietilen test numuneleri kullanılarak İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesinde bulunan MTS üniversal test makinası ve diğer test ekipmanları kullanılarak yapılan testler ile elde edilmiştir. Yapılan testler şunlardır: Farklı sıcaklıklarda (+60, -40 , +22 oC lerde çekme ve basma testleri, Yoğunluk testi, Sönümleme oranı testi, Charpy darbe testi, Isıl genleşme testi, Sertlik testi ve Yorulma testleri). (IP1) 
ii)	Literatür taraması yapılarak konu ile ilgili önceden yapılmış çalışmalar detaylı bir şekilde incelenmiştir. (IP2) 
iii)	Sonlu eleman analizlerinde sıvı-katı etkileşimini modellemek için bazı ön çalışmalar yapılmıştır. Daha sonra ise çeşitli doluluk oranları için yakıt tankı statik analizleri ve serbest titreşim analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu iş paketinde öncelikle sıvı-katı etkileşimi göz önüne alınmayarak bir statik analiz metodolojisi geliştirilmiştir. (IP2)
iv)	Sıvı-katı etkileşiminin doğru bir şekilde modellenmesi ile dinamik analiz metodolojisi geliştirilip nihai analizler yapılmıştır. Bu sayede dinamik etkilerin de yakıt tankı dayanımı üzerindeki etkilerinin incelenmesi sağlanmıştır. (IP2) 
v)	Gerçekleştirilen dinamik analizlerin çıktılarıyla yorulma analizleri tamamlanmıştır. Statik, dinamik ve yorulma analizlerinin yorumlanması ile optimizasyon süreci başlatılmış, optimizasyonlar sonucu ortaya çıkan tankların yorulma analizi sonuçlarıyla prototip üretimi yapılacak tank belirlenmiştir. (IP-3)
vi)	Optimizasyon sonucu elde edilen modelin prototipi oluşturulmuş (IP-4) ve Mercedes Benz Türk A.Ş. test departmanı tarafından Titreşim Tablası Testlerine (Hidropuls Testi) tabi tutulmuştur. Test sonucunda iyileştirilmiş tankta beklendiği gibi kırık gözlemlenmemiştir. (IP-5)
Projenin iş paketleri ile paralel yürüyen bu tezde, öncelikle literatür taramasına önem verilmiştir. Polietilen malzeme ile ilgili birçok bilinmeyenin cevabı literatürde aranmıştır. Ayrıca projenin temel amacı olan, yakıt tanklarının dayanımının incelenmesi için geliştirilmesi düşünülen analiz metodojileri ile ilgili çeşitli yollar aranmış ve en uygulanabilir olanı seçilmiştir. 
Literatür taraması ardından, polietilen malzemenin mekanik ve fiziksel özelliklerini bulmaya yönelik kupon testleri İstanbul Teknik Üniversitesi – Kompozit ve Yapı Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu testler yardımıyla, malzemenin sonlu elemanlar analizlerinde kullanılacak olan büyüklükleri saptanmıştır. İlk olarak D792-13 standartlı yoğunluk testi ile polietilen malzemenin yoğunluğu bulunmuş ve literatürle doğrulanmıştır. 
Bilindiği üzere bir dinamik sonlu eleman analizi için gereken malzeme tanımlama parametreleri arasında elastik modül ve poisson oranı da bulunmaktadır. Bunları saptamaya yönelik olarak gerçekleştirilen D638-10 plastik malzemeler için çekme standardını temel alan testler oda sıcaklığında yapılmıştır. Bu kupon testleri polietilen malzemenin sıcak ve soğuk ortam şartlarında davranışını anlamak üzere +60 ve -40 oC'de de testler gerçekleştirilmiştir. 
Malzeme testi adımlarından bir diğeri ise sönümleme oranı testidir. Dinamik analizlerde diğer bir önemli parametre olan sönümleme oranı, çekiç testi yardımıyla bulunmuştur. 
Malzeme testleriyle bulunan bu değerler dinamik analizlerde girdi olarak kullanılmıştır. Analizlerde, bahsedildiği gibi PERMAS V15 sonlu elemanlar çözücüsü kullanılmıştır. Öncelikle, daha sonra ayrıntılarıyla anlatılacak olan titreşim tablası testleri sırasında üzerinde kırık oluşan bir yakıt tankı seçilerek CAD modeli CATIA kütüphanesinden alınarak MEDINA ön işlemcisine alınmıştır. Medina programı sonlu elemanlar modeli hazırlamada kullanılan ve PERMAS çözücüsüne girdi hazırlayan bir programdır. 
Analiz metodolojisinin geliştirilmesindeki temel amaç, titreşim tablası testlerinde oluşan ya da oluşabilecek kırıkların daha analiz aşamasında bulunması ve buna yönelik geometrik iyileştirmelerle giderilmesidir. Bu sayede test sayısı azaltılacak ve prototip üretimine harcanacak parasal kaynak korunmuş olacaktır. 
Hazırlanan sonlu eleman modelinde yakıt tankı duvarları kabuk elemanlarla modellenirken, yakıt akustik elemanlar kullanılarak örülmüştür. Otobüs karoseri yapısının bir kısmı da analiz modeline dahil edilmiş ve buralarda da kabuk elemanlar kullanılmıştır. 
Modellemenin temelinde iki büyük yenilik bulunmaktadır. Öncelikle titreşim tablası testlerinde de bulunan tablanın kütlesi verilen kuvvet değerlerini ivmeye dönüştürüp tanka etkitebilmesi bakımından önemlidir. Test esnasında uygulanan tüm ivme-zaman sinyali sonlu elemanlar modeline uygulanmaktadır. Ancak tekil bir noktaya ivme sinyali uygulamanın zorluğu sebebiyle deprem analizleri gibi "base excitation" problemlerinde de sıkça kullanılan, literatürde "Büyük Kütle Metodu" (Large Mass Method), olarak geçen yöntemle karoserinin alt yüzeyine rijid elemanlarla bağlanan bir kütle sisteme dahil edilmiştir. Bir diğer yenilik ise akışkan-katı etkileşimini dikkate alan bir analiz metodu geliştirmek için yakıtın akustik elemanlarla modellenmesidir. Akustik elemanlar, bünyelerinde basınç serbestlik dereceleri de barındıran ve gelen ivme değerlerini basınca çevirip bunları aktararak tank yüzeyinde akışkanının titreşim kaynaklı oluşturacağı gerilmeleri de gösteren elemanlardır. 
Tüm bu modellemelerden sonra koşturulan analizlerde, 1/4, 2/4, 3/4 ve tam dolu yakıt durumları dikkate alınarak bir parametrik çalışma yapılmıştır. Hazırlanan model üzerinden öncelikle serbest titreşim analizleri gerçekleştirilmiştir. Doğal frekansları ve mod şekilleri bulunan yakıt tankının hangi bölgelerinin zorlanmaya daha açık olduğu ve testler sonucunda hangi lokasyonlarında kırık görülebileceği tahmin edilmeye çalışınılmıştır. Arkasından, yapının mod şekillerinin ve zorlayıcı sinyalin bu yapının hangi mod şeklini ne ölçüde zorladığına dair katılım faktörleri vasıtasıyla bir hesaplama yapan modal transient analiz metodu yardımıyla dinamik analizler sonlandırılmıştır. Bu analizler sonucunda kırık bölgeleri akışkan – katı etkileşimi de dikkate alınarak tespit edilmiştir. 
Kırık bölgeleri bulunduktan sonra geometrik iyileştirmelere başvurulmuştur. Öncelikle tankın cidar kalınlığı 7 mm'den 9 mm'ye çıkarılmış, arkasından da geometrik olarak tespit edilen iki farklı kırık bölgesi için çözümler aranmıştır. Yapılan değişikliklerden sonra koşturulan analizlerle yakıt tankının son şekli verilmiştir. 
Prototipi ürettirilen yakıt tankı, Mercedes-Benz Türk AŞ. bünyesindeki titreşim tablasında testlere tabi tutulmuş ve kırıksız bir şekilde testleri geçmiştir. 
Bu çalışma içerisinde tüm bu süreçler daha ayrıntılı şekilde ele alınıp sayısal sonuçları ile beraber anlatılacaktır.

Abstract:
In today's world the conventional metal fuel tanks used in buses are being replaced with plastic fuel tanks. As known, Santez project has a mission to provide a bridge between the industry and the university. Thanks to this mission, problems which encounter in R&D centers of industrial companies can be solve easily with the help of academic know-how. In this thesis, a part of the Santez project which aims to develop a computer aided methodology for developing/designing of the polyethylene fuel tanks based on dynamic analysis is presented.
The Project aims and the work packages are indicated as follows: 
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.
The Project goals and the final status are summarized below:
Package 1 (10 months) 	: Polyethylene Material Test
Package 2 (10 months)	: Literature review; Static and Dynamic Analysis of the Fuel Tank
Package 3 (4 months)	: Fatigue Analysis and Geometric Optimization
Package 4 (2 months)	: Prototype Production
Package 5 (2 months)	: Hydropulse Test
The work packages cover;
i)	The coupon tests are conducted to acquire the physical and mechanical properties of the polyethylene material. Thanks to those tests several properties of polyethylene is provided and used in finite element analysis. Tests are achieved in Istanbul Technical University, Composite Structure Laboratory. These tests are listed such; Tensile and Compressive tests for different temperature (+60, -40 and +22 oC), density, damping ratio, Charpy impact, hardness, thermal expansion and fatigue tests. (P1)
ii)	Literature is examined deeply and several previous researches are summarized. (P2) 
iii)	To model the fluid-solid interaction in finite element analysis, some pre-analysis is conducted. Afterwards, for 1/4 , 2/4 , 3/4 , 4/4 fullness ratios, modal analysis are performed. Also, static analysis methodology which does not contain fluid-solid interaction issue is developed in this package. (P2)
iv)	In order to understand the dynamic effects of fluid in the tank, fluid-solid interaction problem is added the dynamic analysis model. Due to this contribution, dynamic effects and their behavior on the tank durability are examined. (P2)
v)	With the help of dynamic analysis outputs, fatigue analysis is performed. All three kinds of analysis results, static, dynamic and fatigue, are interpreted and optimization process is begun. After the optimization process, final tank design is created. (P3) 
vi)	Prototype of final design is produced (P4) and Hydropulse tests are achieved in Mercedes-Benz Türk A.Ş. test department. After the tests, final geometry has no cracks on the walls. Hence, it has gotten approval for release. (P5)
In this thesis, firstly literature review is performed. There were lots of unknown about the polyethylene material in the first step. In addition, to investigate the durability of the tank, some methods are examined. Unknowns and questions are tried to answer with the help of literature. 
After the review, the coupon tests are conducted to acquire the physical and mechanical properties of the polyethylene material. Tests are achieved in Istanbul Technical University, Composite Structure Laboratory. They are crucial importance of the thesis. Because, test outputs are used for modeling the finite element model of the fuel tank. First important test is density test. According to D792-13 standard, polyethylene material density is obtained. 
For finite element model, Young modulus and poisson ratio are mandatory quantities. Complying with the D638-10 standard, tensile tests are done in room temperature. Afterwards, so as to understand the behavior of the material in cold and warm conditions, tests are re-performed in +60 and -40 oC environments. 
Another step of the material tests is damping ratio test. Damping ratio is one of the most important inputs for dynamic analysis and is obtained with hummer test. 
The test results are used for the inputs of the analysis. In order to generate a finite element model, Medina pre-processor is used. The tank structure which had the cracks in hydropulse test is selected for the project. The CAD geometry of the tank is imported from CATIA to Medina and prepared for analysis with using PERMAS V15 finite element solver.  
The main goal of the developing a new analysis methodology is finding cracks in the tank in even analysis steps. Thanks for that, geometrical optimizations can be done easily. Hence, hydropulse test iterations will be reduced and the test cost will be saved.  
In all acoustic analysis, the fuel tank walls are modeled with shell elements. On the other hand, fuel is generated with 3D solid acoustic elements. Moreover, bus chassis structure is included the analysis procedure and is modeled with shell elements also. 
Large Mass Method is used to apply the torture track acceleration signal to the tank. It, which is several orders of magnitude larger than the mass of the entire structure, is used to apply the accelerations as forces. It uses frequently in base excitation problems. Besides, fundamentally there are 4 main sections in acoustic analysis as structure part, acoustic part, interface part and free surface. Those elements have pressure degree of freedoms unlike structure solid elements. As known, structure elements have only displacement degrees of freedom in their body. Interface part has the main role of the system. Because, pressure is converted to displacement in the part. 
After all those modeling tricks, 1/4 , 2/4 , 3/4 and 4/4 fullness ratios of the tank is investigated. Firstly, mode shapes and natural frequencies of the tank are obtained with using modal analysis approach. Results are interpreted for predicting that where the cracks can occur. Afterwards, thanks to modal transient approach and the proving ground signal, dynamic analyses are achieved. Therefore, cracks regions are found and dynamic analysis methodology is developed. 
After the cracks are detected the tank surface in numeric analysis, base tank model optimization process begin. Firstly, tank wall thickness is increased from 7 mm to 9 mm. Also, geometrical optimization is performed in order to remove the two different crack regions from the new tank design. After all these investigations, final shape of the tank is obtained finally.   
Prototype is produced in Mercedes-Benz Türk A.Ş's supplier and the test is conducted in MBTürk hydropulse test bench. Final design of the fuel tank is passed the test with no crack. 
In the thesis, all of these process and steps are mentioned clearly and deeply with numeric 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..