Kadir Elitok, Dr. M. Ali Güler, Fatih Han Avcı
Ürün Geliştirme Bölümü., TEMSA A.Ş., Adana

Dr. Ulrich Stelzmann
LS-DYNA Services, CADFEM GmbH, Almanya

 

Not: İlk defa TurkCADCAM.net Dergisi 1. sayısında (Ocak-Şubat 2006) yer alan bu makale, Kasım 2008'de TurkCADCAM.net Portalı'nda yayınlanmaya başlamıştır.

Özet

Devrilme kazası, otobüs içerisindeki yolcular ve mürettebatın güvenliğini tehdit eden en ciddi tehlikelerden bir tanesidir. Geçmiş yıllarda yapılan gözlemler, kaza sonrasında deforme olan otobüs gövdesinin yolcuların hayatını ciddi biçimde tehdit ettiğini göstermiş, böylece devrilme mukavemeti otobüs üreticileri için üzerinde dikkatle durulması gereken bir husus haline gelmiştir. Günümüz itibari ile, bir Avrupa yönetmeliği olan "ECE-R66" sayesindedir ki bu tür devrilme kazalarının yol açabileceği felakete varan sonuçlar engellenebilmekte ve otobüs yolcularının güvenliği temin edilmektedir. Söz konusu yönetmeliğe göre bu konudaki sertifikasyon, ya aracın birebir devrilme testi ile ya da ileri nümerik metodlara dayanan hesaplama tekniklerini (örneğin: doğrusal olmayan eksplisit dinamik sonlu elemanlar analizi) kullanarak alınabilmektedir. Her iki metodun da nihai amacı otobüs üzerinde oluşan eğilme deformasyonunu tetkik ederek yolcu yaşam mahaline herhangi bir girişimin olup olmayacağını tespit etmektir.

Bu çalışmada, TEMSA HD SAFARI otobüsünün ECE-R66 analizleri ve sertifikasyon süreci irdelenmiştir. Otobüs devrilme analizleri esnasında, çözücü olarak doğrusal olmayan eksplisit dinamik kod LS-DYNA, sonlu elemanlar ön işlemcisi olarak da ANSA programı kullanılmıştır. Projenin ilk aşamasında, ECE-R66 yönetmeliğinin bir zorunluluğu olarak, yapılacak hesaplamaların fiili testle örtüşmesini kontrol eden "Hesap Yönteminin Doğruluğu" adı altında bir doğrulama çalışması yapılmıştır. Bu doğrulama çalışması yönetmeliğin gerektirdiği zorunlu bir önkoşuldur. Zira sonlu elemanlar analizlerinde kullanılacak varsayımları teyit etmek, analizleri teftiş edecek olan teknik otoritenin (Bu durumda TÜV Süddeutschland) sorumluluğunda olmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Devrilme, çarpma dayanıklılığı, ECE-R66, yaşam mahali, eksplisit dinamik, LS-DYNA

Giriş

Günümüze dek yapılan yayınlara [1, 2] göre yaralanma ve can kayıplarının görüldüğü otobüs ve midibüs kazalarının hemen hemen hepsinde devrilmenin de ciddi bir unsur olarak gerçekleştiği kaydedilmiştir. Avrupa'daki otobüs ve midibüs kazaları incelendiğinde:

En az bir ağır yaralanmayla ya da ölümle sonuçlanan 47 gerçek otobüs-midibüs kazasının incelenmesi sonucunda kazaların %42'sinde yana veya öne devrilme gerçekleştiği tespit edilmiştir [3]. Bunun üzerine otobüs devrilmelerindeki yaralanma olaylarının işleyişi daha etraflıca incelenmiştir [4]. Devrilme kazalarında otobüs içerisindeki insanların %19'u ölmekle birlikte, en yüksek ölüm oranları sabit bariyer üzerinden devrilmelerde %30'luk bir ÖAY (Ölü ya da Ağır Yaralı) oranı ile ortaya çıkmaktadır. Ancak devrilmede sabit bir bariyer rol oynamıyor ise ÖAY oranı %14 seviyelerine düşmektedir. Ayrıca eğer otobüs çift katlı ise ÖAY'nin %80'inden fazlasının otobüsün üst katında gerçekleştiği gözlemlenmiştir. En ağır hasarlar ise otobüsün devrilme sonrasında toprak üzerinde kayması esnasında gerçekleşmektedir. İspanyol yetkililerden alınan bilgilere göre 1995-1999 yılları arasında yol ve otoyollarda gerçekleşen otobüs kazalarının %4'ü devrilme olmakla birlikte, devrilme kazalarındaki ölüm riskinin diğer kazalara kıyasla 5 kat fazla olduğu belirtilmiştir [5]. Almanya'da gerçekleşen 48 tur otobüsü kazasınının 8'inin devrilme kazası olduğu kaydedilmiş olup, tüm ağır yaralanmaların %50'si ve ölümlerin %90'ı bu 8 devrilme kazasında gerçekleşmiştir [6].

Devrilme esnasında yolcuların araçtan fırlama, sarkma ve yabancı cisimlerin tecavüzüne maruz kalmaları riski daha yüksek olduğu için ölüm riski de bir o kadar artmaktadır [7]. Herhangi bir otobüs-minibüs yolcusu ile daha hafif bir araç yolcusu arasındaki fark, devrilmelerdeki biyomekanik prensipler ve yaşam alanı kriterleri gözönüne alındığında daha bariz şekilde ortaya çıkmaktadır. Bir otobüs veya midibüs devrilmesinde, bir otomobil yolcusuna kıyasla otobüs yolcusu, aracın dönme merkezine çok daha uzak bir konumda bulunmaktadır. Bu sebeplerden dolayı, "Yolcu Taşıyan Araçların Yapısal Mukavemeti" başlıklı "ECE-R66" yönetmeliği, devrilme kazalarında ortaya çıkabilecek feci sonuçları önlemek ve otobüs-midibüs yolcularının güvenliğini korumak amacı ile yürürlüktedir [8]. Otobüs devrilmesi problemi, kapsamlı bir sonlu elemanlar programı kullanılarak bilgisayar ortamında analiz edildiğinde deneyler ile simülasyonlar arasında uyum olduğu araştırmacılar [9-11] tarafından gösterilmiştir.

Bu çalışmada, "HD SAFARI" isimli TEMSA otobüsünün ECE-R66 hesaplama prosedürlerinin nasıl gerçekleştirildiği anlatılmaktadır. HD SAFARI, 12.8 metre uzunluğunda, ön ve en arka tarafı "Roll-Bar" adı verilen özel tasarımlarla güçlendirilmiş bir araçtır. Sonlu elemanlar modelinin oluşturulması özelleşmiş ön işlemci yazılımı olan ANSA 11.3.5; doğrusal olmayan, eksplisit ve 3 boyutlu dinamik analiz hesaplamaları ise LS-DYNA aracılığı ile gerçekleştirilmiştir. Hesaplama tekniğinin doğruluğu, araç yan duvarından ve tavandan alınan numuneler üzerine yapılan testler ve bu testlerin akabinde yapılan simülasyonların birbirleri ile kıyaslanması sayesinde kontrol edilmiştir. Bu kıyaslamalardan elde edilen yüksek teorik ve deneysel korelasyon, bilgisayar ortamında yapılan hesaplama yönteminin meşruluğunu göstermektedir. Komponent bazında yapılan bu doğrulama prosedüründen sonra komple araç modeli hazırlanmış ve simülasyonları geçekleştirilmiştir. Yaşam mahali gözönünde bulundurulmak üzere deformasyon miktarları tespit edilerek aracın regülasyonu sağladığı tespit edilmiştir.

1. ECE R66 Yönetmeliği

ECE-R66 yönetmeliğinin amacı, araç yapısının, yaşam mahalinin devrilme testi süresince ve sonrasında zarar görmemiş olarak kalmasını sağlayacak kadar mukavemete sahip olduğunu garanti etmektir. Bu, aracın testin başında yaşam mahalinin dışında bulunan hiçbir parçasının (Kiriş ve kolonlar, bagaj rafları, vs.) yaşam mahaline girmemesi anlamına gelir. Testte, belirli miktarda enerji aracın yapısına empoze edilmektedir.

Aracın yaşam mahali, Şekil 1'de görülen dış kenarlara sahip düşey enine bir yüzey yaratılması ve bu yüzeyin tüm otobüs boyunca taranmasıyla tanımlanmaktadır.
Devrilme testi, özellikleri aşağıda belirtilen bir yan yatırma testidir (Şekil 2).

Gerçek boyutlardaki araç durağan haldeyken yavaşça, kararsız denge konumuna doğru yana yatırılmaktadır. Devrilme testi, bu kararsız denge konumunda, tekerlek-yer değme noktalarından geçen dönme eksenine göre sıfır açısal hız ile başlar. Bu esnada araç referans enerji ile karakterize edilir. Araç yatay, kuru ve prüzsüz bir beton yer yüzeyine sahip, 800 mm derinliğinde bir hendeğe devrilir.

Şekil 1. Yaşam Mahali

Şekil 2. Devrilme testi

Devrilme testi, aracın yaşam mahali açısından daha tehlikeli olan kısmı üzerinde gerçekleştirilmelidir. Hangi tarafın daha tehlikeli olduğu kararı yetkili teknik servis tarafından, üreticinin önerisi temel alınarak, en azından aşağıdakiler göz önünde bulundurularak alınır:

Ağırlık merkezinin merkez kaçıklığı ve bunun aracın kararsız başlangıç konumunda potansiyel enerji üzerindeki etkisi; kalıcı alanın simetrik olmaması; aracın iki yanının farklı, asimetrik yapısal özellikleri; hangi tarafın daha güçlü ve iç parçalar (dolap, tuvalet, mutfak) tarafından daha çok desteklenmiş olduğu.

1.1.1 Hesaplamaların Doğrulanması

ECE R66 simülasyon ve sertifikasyon sürecine başlamadan önce, ECE R66 yönetmeliği tarafından konulmuş bir hesaplamaların doğrulanması işlemi gerçekleştirilmiştir. İki ayrı numune hazırlanarak (Yan-duvar düğümü ve tavan kenar düğümü) deneysel incelemeler için TÜV Automotive'e gönderilmiştir. Bu parçalar üzerine TÜV'ün deney tesislerinde belirli sınır koşulları ve yarı-statik yükler uygulanmıştır (Şekil 3). Aynı deney senaryoları LS-DYNA kullanılarak simüle edilmiştir. Hem deney hem de LS-DYNA simülasyonu için kuvvet-defleksiyon grafikleri karşılaştırılmış ve deney ve simülasyon sonuçları arasında iyi bir uyuşma olduğu görülmüştür (Şekil 4).

Şekil 3. Yan-duvar düğümüne yük uygulayan deney düzeneği.

Şekil 4. Yan-duvar düğümüne uygulanan deney ve simülasyon sonuçları yüksek düzeyde benzerlik göstermektedir.