Otobüslerde kullanılan yakıt tankları dayanımının statik ve dinamik analizlerle doğrulanması

Almanya, İspanya ve Türkiye'de üretilen tüm Mercedes ve Setra markalı otobüslerdeki yakıt tanklarının tasarım, geliştirme ve test sorumluluğunu Mercedes Benz Türk A.Ş. Araştırma ve Geliştirme (Ar-Ge) Merkezi üstlenmiştir. Bu sorumluluğun bir parçası olarak konvansiyonel çelik yakıt tanklarından plastik yakıt tanklarına geçiş sürecindeki Ar-Ge çalışmaları da Mercedes Benz Türk A.Ş. Ar-Ge Merkezi'nde yürütülmektedir. Bu tez 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 amaçla; dayanım testleri yapılan örnek yakıt tankının katı modeli CATIA kütüphanesinden alınıp sonlu elemanlar yazılımı MEDINA ya transfer edilerek sonlu elemanlar çözüm ağı oluşturulmuştur. İlk olarak yakıt tankına eşdeğer statik yükler uygulanmıştır. Bunun için işletme şartlarında yakıt tankının maruz kalacağı maksimum/minimum ivme yükleri (g) daha önce Mercedes Benz Türk A.Ş. Ar-Ge Merkezi Test Bölümü'nün Almanya'daki özel kötü yol pistinden toplamış olduğu ivme – zaman verisi kullanılarak tespit edilmiştir. Bu yükler altında yakıt tankının deformasyonları ve gerilme dağılımları incelenmiştir. Sonrasında, statik yükler ile yapılan analizler sonucunda ortaya çıkarılamayan dinamik etkilerin de incelenmesi için aşağıdaki dinamik analizler gerçekleştirilmiştir: • Serbest titreşim analizleri yapılarak doğal frekanslar ve mod şekilleri elde edilmiştir. • y ve z yönlerinde uygulanan harmonik zorlayıcılar ile frekans-cevap analizleri yapılmıştır. • Yakıt tanklarının titreşim tablasında kullanılan ivme-zaman test sinyali kullanılarak dinamik zorlanmış titreşim analizleri yapılmıştır. Eşdeğer ivme yükleri ile yapılan analizler yakıt tankının tam dolu durumu için yapılmıştır. Burada yakıtın çeperlere olan etkisi hidrostatik basınç dağılımı olarak tanımlanmıştır. Test merkezinden gelen ivme – zaman sinyalindeki x, y, z yönlerinde oluşan en yüksek ve en düşük ivme değerleri alınmış, her bir yükleme koşulunda farklı oranlar kullanılarak 3 eksenli yükleme paketleri yaratılmıştır. Gergi bantları üzerinde oluşan ön gerilme de yükleme paketlerine dahil edilerek toplam 24 adet farklı yükleme koşulu oluşturulmuştur. PERMAS paket programı ile yapılan analizler sonucunda yakıt tankı üzerinde oluşan gerilmeler ve deformasyonlar incelenmiştir. Gerilmelerin ve deformasyonların yüksek olduğu bölgelerle ilgili, tasarım ekiplerine tasarımda iyileştirme gerekliliği bildirilmiştir. Yakıt tankının dinamik davranışı hakkında da bilgi sahibi olabilmek için öncelikle tankın içi yapısal katı elemanlarla örülmüştür. PERMAS paket programı yardımı ile 5 farklı doluluk (boş, ¼, ½, ¾, dolu) oranı için serbest titreşim şekilleri elde edilmiştir. Dolu yakıt tankı için ilk genel serbest titreşim frekansı 9,2 Hz, boş yakıt tankı için 25,1 Hz olarak bulunmuştur. Aks doğal frekanslarının kabaca 10 Hz civarında olduğu göz önüne alınırsa, bu durumda dolu yakıt tankının boş olana göre, akstan gelen uyarıcı frekanslardan daha fazla etkileneceği aşikârdır. Bununla birlikte, tüm doluluk oranları için yapılan titreşim testleri sırasında, deponun ön yüzünde oluşan yüksek genlikli salınımlara benzer serbest titreşim şekilleri, yapılan analizler sonucunda elde edilmiştir. Bahsi geçen yüksek genlikli titreşimlerin frekansa bağlı değişimini incelemek için frekans – cevap analizleri yapılmıştır. y ve z yönlerinde 0 – 70 Hz bandında bir birim genlikli sinüs dalgası uygulanmış ve ön yüzün ortasından ivme cevabı okunmuştur. y yönü için elde edilen frekans-ivme cevabı grafiğinde, 25 Hz ve 35 Hz civarlarında iki tepe noktası elde edilmiş, z yönünde yapılan analiz sonuçlarına göre de 20 Hz ve 26 Hz civarlarında iki tepe noktası bulunmuştur. Tüm bu tepe noktası frekanslarında bir rezonans etkisi olabileceği ve sonucu olarak deponun ön yüzünde de yüksek gerilmeye sahip ek bir alan bulunabileceği düşüncesiyle son aşamaya geçilmiştir. Titreşim tablası testleri sırasında, titreşim tablasına uygulanan tüm ivme – zaman sinyali sonlu elemanlar modelinde de yakıt tankına uygulanmıştır. Tekil bir noktaya ivme uygulayabilmek için, deprem analizlerinde de çokça uygulanan büyük kütle metoduna başvurulmuştur. PERMAS yazılımı ile her bir eleman üzerinde, zamana bağlı olarak elde edilen tüm gerilmelerin karekök ortalamaları (RMS) hesaplatılmıştır. Analiz sonuçları statik analizdekilerle oldukça benzerlik göstermiş, yüksek gerilmeye sahip herhangi bir ek bölgeye rastlanmamıştır. Bu çalışmada geliştirilen eşdeğer statik yüklere dayalı analiz metodu daha sonra başka yakıt tanklarının geliştirme safhalarında kullanılmıştır. Geliştirilen metot, yapılan testlerde bulunan dinamik kaynaklı bir iki hasar dışında oldukça güvenilir sonuçlar vermektedir. Metodun statik yükleme temeline dayanması sayesinde hızlı sonuçlar elde edilebiliyor olması ve analiz sonucunda deformasyonların incelenebiliyor olması, metodun tasarımcılar tarafından da benimsenmesini sağlamıştır. Tüm bu olumlu geri bildirimlere rağmen, titreşim testleri sırasında oluşan hasarların küçük bir kısmı analiz ile doğrulanamamaktadır. Bunun nedenlerinden birisinin yakıt tankı içindeki sıvının yapısal katı elemanlar ile modellenmesi olduğu düşünülmektedir. Bundan sonra yapılacak çalışmalarda, yakıt tankı içindeki sıvı modellenmesinde alternatif yaklaşımlar (akustik elemanlar vb.) kullanılması, disiplinler arası metotların kullanımı (akışkan-yapı etkileşimi vb.) dinamik sonuçların doğruluğunu artıracaktır.