Yüksek hızlı trenin rüzgâr ve esnek zemin etkisi altındaki titreşimlerinin yapay zekâ algoritmaları ile aktif kontrolü

Yüksek hızlı trenlerde tren ve ray arasındaki etkileşim probleminden dolayı raylı aracın sürüş güvenliği ve yolcu konforu olumsuz etkilenir. Bu problemlerin başında ray düzgünsüzlükleri, esnek zemin etkisi ve rüzgâr yükü ve sismik yükler gibi dış etkiler gelmektedir. Bu tez çalışmasında tren-track-köprü etkileşim (TTKE) sisteminin dinamik cevaplarını belirlemek amacıyla bir simülasyon yazılımı geliştirilmiştir. Tam tren modeli yatay ve dikey yöndeki dinamik cevaplarını da incelemek amacıyla 31 serbestlik dereceli olarak modellenirken, köprü ve ray ise Euler-Bernoulli kiriş teromine göre modellenmiştir. Ayrıca bu tez çalışmasında yapay zekâ algoritmaları ile aktif süspansiyon sisteminin kullanılması da incelenmiştir. Aktif süspansiyonun temel amacı trenin rahatsız edici etkilerini ikincil süspansiyona yerleştirilen doğrusal eyleyici ile bertaraf etmektir. Ayrıca yüksek hızlı trenin maruz kalabileceği rüzgâr yükünün etkisini azaltmak da oldukça önemlidir. Çünkü tarihte rüzgâr nedeniyle yıkılan köprüler ve raydan çıkan trenler mevcuttur. Tren ve köprü kirişine ait ikinci dereceden hareket denklemleri Lagrange yöntemi ile çıkarılmış ve sonra durum uzay formları yardımıyla birinci dereceden diferansiyel denklemlere indirgenmiştir. Dördüncü dereceden diferansiyel denklem olan basit mesnetli köprü ve ray kirişleri Galerkin yöntemi kullanılarak ikinci dereceden hareket denklemlerine dönüştürülmüştür. Bu diferansiyel denklemler dördüncü dereceden Runge-Kutta algoritması kullanılarak zaman alanında yüksek hassasiyette ve kısa sürede çözdürülmüştür. Bu çalışma da sunulan yöntemin sayısal sonuçlarını doğrulamak amacıyla literatürde kabul görmüş birkaç çalışmalarla da kıyaslanmıştır. Köprü parametreleri kullanılarak hesap edilen kirişin ilk dört doğal frekansı belirlenmiş ve bu belirlenen frekansa karşılık gelen trenin kritik hızları olan rezonans hızları hesaplanmıştır. Rezonans hızlarında hareket eden tren özellikle düşük sönümlü kirişlerde maksimum ivmelenme genliklerinin artmasına neden olmaktadır. Bu tez çalışmasında trenin değişken hızlarında maksimum dinamik cevaplar belirlenmiş ve kritik hızların tren ray etkileşimi açısından önemli bir kavram olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca iyi sönümlenen kirişlerin maksimum dinamik cevapları azalttığı da görülmüştür. Bu tez çalışmasında tren ile köprü arasında bulunan travers ve balasttan oluşan track yapısının etkisi de incelenmiştir. Track yapısı demiryollarında neredeyse iki asırdan beri kullanıldığı için bu çalışmanın içeriğine de eklenmesi önem arz etmektedir. Bu kapsamda track yapısı ve track parametrelerinin yüksek hızlı trenlerin dinamik davranışı üzerindeki etkisi detaylıca incelenmiştir. Yüksek hızlı trenlerin rüzgârlı bölgelerde köprü geçişleri esnasında hem rüzgârdan hem de köprü titreşimlerinden kaynaklanan bozucu etkilerin azaltılması amacıyla PID, kendinden uyarlamalı bulanık PID ve Kayan kipli kontrol olmak üzere 3 farklı yapay zekâ destekli aktif kontrolcüler kullanılmıştır. Bu kontrolcülerin vagonun dikey ve yanal yöndeki dinamik cevapları üzerindeki performansları detaylıca incelenmiştir. Bu kapsamda rüzgârın trene etki etme açısı ve rüzgâr hızı gibi değişkenlerde ayrı ayrı analiz edilmiştir. Yapay zekâ destekli aktif kontrolcüler kullanılarak pasif kontrole göre üstün performans sergilediği görülmüştür. Sonuç olarak bu tez çalışmasında modellenen TTKE sistemi yazılımı sayesinde tren, track ve köprüye ait tüm parametrelerin etkisi, tren hızının etkisi, rüzgâr açısı ve hızı gibi değişkenlerin etkisi zaman alan ve pahalı olan deneysel çalışmalara gerek kalmadan belirlenebilmektedir. Bu çalışmada sunulan tez yedi başlık altında incelenmiştir. Birinci başlıkta yüksek hızlı trenlerin dünyada ve ülkemizde sahip olduğu özelliklere ve önemine vurgu yapılmıştır. Ayrıca artan tren hızlarının mühendislik açıdan oluşturduğu problemlere değinilerek bunlara çözümler önerilmiştir. Tezin ikinci bölümünde şimdiye kadar yüksek hızlı trenlerin ve bağlantılı olabileceği konuların araştırılması yapılmış ve detaylı bir literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Üçüncü bölümde ise yüksek hızlı trenlerin detaylıca analizlerinin gerçekleştirilebilmesi amacıyla matematik modeli oluşturulmuştur. Bu tez çalışmasında tamamen gerçekçi bir analiz yapılacağından dolayı bir trende incelenebilecek tüm parametreler dikkate alınarak 31 serbestlik dereceli tam model oluşturulmuştur. Bunların yanısıra yüksek hızlı trenlerin geçtiği köprülerin detaylı modellemesi ve demiryolu hattında bulunan track yapısının modellemesi de analizlere dahil edilmiştir. Ayrıca esnek zemin olarak dikkate alınan köprülerin dışında bu tez çalışmasında rüzgâr yükü de dikkate alınmıştır. Literatürdeki rüzgâr yükü analizleri de incelenerek özellikle köprü geçişleri esnasında yüksek hızlı trenin maruz kaldığı rüzgâr yükü de modellenmiştir. Yüksek hızlı trenin matematik modellemesi oluşturulduktan sonra analizlerinin gerçekleştirilmesi için hareket denklemleri elde edilmiş ve daha sonra Matlab yazılımı kullanılarak hareket denklemleri çözdürülmüştür. Bu çalışma da önerilen çözme yönteminin doğrulanması ise bu tezin dördüncü bölümünde verilmiştir. İncelenen yüksek hızlı trenin modeli çok karmaşık olduğundan dolayı basit iki farklı model oluşturularak bu çalışma da kullanılan çözme yöntemi ile çözdürülmüş ve literatürde bulunan sonuçları ile kıyaslanarak çalışmanın doğruluğu yapılmıştır. Bu tez çalışmasında sunulan yüksek hızlı tren ve köprü etkileşim modelinin analiz sonuçları beşinci bölümde verilmiştir. Öncelikle tren-köprü etkileşim analizi gerçekleştirilmiş ve daha sonra track yapısı dikkate alınarak tren-track-köprü etkileşim analizi yapılmış olup bu ikisi birbiri ile kıyaslanarak track yapısının etkisi incelenmiştir. Bu analizlerin yapılmasından önce incelenen köprünün titreşim mod sayısı ve çözme adımının etkisi belirlenmiştir. Ayrıca bu bölümde vagon kütlesi, köprü uzunluğu, track parametrelerinin etkisi, köprü sönümü gibi faktörler de detaylıca araştırılmıştır. Altınca bölümde bu tez çalışmasında titreşimlerin kontrolünü sağlamak amacıyla kullanılan yapay zeka destekli aktif kontrolcüler sunulmuştur. Yüksek hızlı trenlerin köprü geçişleri ve rüzgâr etkisi altında meydana gelen titreşimler PID, kendinden uyarlamalı bulanık PID ve kayan kipli kontrol kullanılarak azaltılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda vagon ile boji arasına yerleştirilen dört adet eyleyici aracılığıyla vagonun dikey yöndeki deplasmanlarının en aza indirilmesini amaçlayan bir kontrolcü simülasyon yazılımı yapılmıştır. Kullanılan kontrolcülerin performansları trenin sabit ve değişken hızı, vagonun farklı kütlesi, değişken köprü uzunluğu, rüzgârın hızı ve açısı gibi birçok parametre dikkate alınarak kıyaslanmıştır. Sonuç olarak yüksek hızlı trenin titreşimlerinin kontrolünde sırasıyla kayan kipli kontrol, kendinden uyarlamalı bulanık PID ve PID kontrol daha başarılı olmuştur. Ayrıca kayan kipli kontrolün diğer kontrolcülere kıyasla oldukça başarılı sonuç verdiği analiz sonuçlarından anlaşılmaktadır. Bu tez çalışmasının yedinci ve son bölümünde ise çalışma da yapılan tüm analizlerin tartışmalı sonuçları detaylıca verilmiştir.