Bir Metro Treni Tasarımı ve Metro Araç Gövdesinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Yapısal Analizi

Öz

Metrolar, diğer kent içi raylı araçlara göre yüksek kapasiteli, hızlı ve büyük boyutlu oldukları için gövde dayanımlarının önemi oldukça kritiktir. Bu çalışmada dört vagondan oluşan bir metro sistemi tasarlanmış ve araç gövdesinin EN 12663-1 standardına göre sonlu elemanlar yöntemiyle yapısal analizleri yapılmıştır. Yapısal analizler üç farklı koşulda incelenmiştir. 22,7 m uzunluğundaki aracın, tüm ekipmanlarıyla birlikte toplam kütlesi 35000 kg, metre karede 8 yolcu bulunma durumuna göre toplam yolcu kütlesi 27020 kg hesaplanarak genel kütlenin toplamı 62020 kg olarak alınmıştır. Aracın gövde taşıyıcı iskelet sistemi için değişik boyutlardaki SUS304 paslanmaz çelik profil ve sac malzemeler seçilmiştir. Analizde; araç gövdesinin yolcu bölümüne dikey yüklemeler, tampon bölgelerine de yatay olarak sıkıştırma yüklemeleri yapılarak maksimum gerilme ve yer değiştirme miktarları tespit edilmiştir. Araç gövdesinin yolcu bölümünde, dikey yüklemelerdeki maksimum gerilme miktarının akma gerilmesinin altında olduğu ancak tampon bölgesindeki sıkıştırma yüklemesi durumunda maksimum gerilmenin akma gerilmesinin üzerinde olduğu tespit edilmiştir. Tampon bölgesi ve çevresinin tasarımında gereken gerilme şartlarını sağlamak amacıyla tasarımın revize edilmesi için çözüm önerilerinde bulunulmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Metro train
• Urban rail system
• Computer aided design (CAD)
• Finite element analysis (FEA)
• Structural analysis
• Static-strength analysis

Design of a Metro Train and Structural Analysis of the Metro Vehicle Body by Finite Element Method

Öz

Since metros are high capacity, fast and large in size compared to other urban rail vehicles, the importance of body strength is very critical. In this study, a four-car metro system was designed and structural analyses of the vehicle body were carried out using the finite element method according to EN 12663-1 standard. Structural analyses were performed under three different conditions. the total mass of the 22.7 m long vehicle with all its equipment was 35000 kg, and the total passenger mass was calculated as 27020 kg based on the presence of 8 passengers per square meter, and the total total mass was taken as 62020 kg. Various sizes of SUS304 stainless steel profiles and sheet materials have been selected for the body carrier skeleton system of the vehicle. In the analysis; vertical loads were made on the passenger side of the vehicle body and horizontal compression loads were made on the bumper areas and maximum stress and displacement amounts were determined. It was found that in the passenger compartment of the car body, the maximum amount of stress in vertical loads is below the yield stress, but in the case of compression loading in the bumper area, the maximum stress is above the yield stress. In order to provide the necessary stress conditions for the design of the buffer zone and its surroundings, solution proposals have been made to revise the design.

Anahtar Kelimeler

• Metro train
• Urban rail system
• Computer aided design (CAD)
• Finite element analysis (FEA)
• Structural analysis
• Static-strength analysis

Kaynakça

1. [1] V. R. Vuchic, Kent İçi Toplu Ulaşım ve Yaşanabilir Şehirler, vol. 1, 2 vols. İstanbul: İstanbul Ulaşım A.Ş., 2015.
2. [2] V. R. Vuchic, Urban Transit Systems And Technology. Hoboken, N.J: John Wiley & Sons, 2007.
3. [3] E. Çekerek and M. Demir, “İstanbul Metrolarında Yolcu Konforunun Arttırılması: Sinyalizasyon Sistemi ile Otomatik Anons Kontrol Uygulaması,” Demiryolu Mühendisliği Dergisi, no. 14, pp. 110–121, Jul. 2021, doi: 10.47072/demiryolu.932732.
4. [4] A. Damat and Z. Utlu, “İstanbul Metro İstasyonlarında İş Güvenliği Uygulamaları,” Demiryolu Mühendisliği Dergisi, no. 8, pp. 52–69, 2018.
5. [5] V. Arlı, Demiryolu Mühendisliği. İstanbul, 2015.
6. [6] V. R. Vuchic, “Urban Public Transportation Systems,” Department of Systems Engineering, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA, no. 6.40.2.2.
7. [7] J.-S. Kim, J.-C. Jeong, and S.-J. Lee, “Numerical and experimental studies on the deformational behavior a composite train carbody of the Korean tilting train,” Composite Structures, vol. 81, no. 2, pp. 168–175, Nov. 2007, doi: 10.1016/j.compstruct.2006.08.007.
8. [8] J.-S. Kim and J.-C. Jeong, “Natural frequency evaluation of a composite train carbody with length of 23m,” Composites Science and Technology, vol. 66, no. 13, pp. 2272–2283, Oct. 2006, doi: 10.1016/j.compscitech.2005.11.036.

9. [9] T. Kotil, G. Yücesan, Z. Mecitoğlu, and E. Sevinçer, “Bir Hafif Metro Aracının Sonlu Elemanlar Metoduyla Statik Analizi,” İstanbul, 1998, pp. 257–265.
10. [10] L. Wu, S. Dong, and C. Yang, “Research on Subway Collision Animation Based on ANSYS Data,” presented at the WSSE 2020: Proceedings of the 2020 The 2nd World Symposium on Software Engineering. doi: 10.1145/3425329.3425338.
11. [11] S. Nas, T. Kotil, G. Yücesan, Z. Mecitoğlu, and Yıllıkçı, “Boğaziçi Hafif Metro Aracının Yapısal Tasarımı,” İstanbul, 1999, pp. 383–396.
12. [12] E. Küçükcicibıyık, S. Sabırlı, R. O. Özge, S. Vatandaş, Ö. Demir, and Z. Mecitoğlu, “Bir Raylı Taşıt Gövdesinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Yapısal Analizi,” Karabük, 2012, pp. 23–31.
13. [13] H. L. Pandül and T. Toprak, “Metro Aracı Gövde Son Montaj Tesisinin Kurulumu ve Yatırımın Finansal Değerlendirilmesi,” Rolling stock final assembly facility installation and financial evaluation of the investment, vol. 19, no. 38, 2020, Accessed: May 31, 2021. [Online]. Available: http://acikerisim.ticaret.edu.tr/xmlui/handle/11467/4318
14. [14] “EN 12663-1 - Railway Applications - Structural Properties of Railway Vehicle Bodies.”
15. [15] “İç ve Dış Teçhizat - EM 32000, EM 64000 Mekanik Bilgisi,” TCDD.
16. [16] A. Aran and M. A. Temel, Paslanmaz Çelik Yassı Mamuller Üretimi Kullanımı Standartları, Acar Matbaacılık A.Ş. İstanbul, 2004.
17. [17] İ. Çayıroğlu, “Bilgisayar Destekli Tasarım ve Analiz (Ansys).” Karabük Üniversitesi Mühendislik Fakültesi. [Online]. Available: http://www.ibrahimcayiroglu.com/Dokumanlar/BilgisayarDestekliTasarim/BilgisayarDestekliTasarimVeAnaliz-4-hafta.pdf
18. [18] C. Srinivasa-Murthy, D. Wang, S. P. Beaudoin, T. Bibby, K. Holland, and T. S. Cale, “Stress distribution in chemical mechanical polishing,” Thin Solid Films, vol. 308–309, pp. 533–537, Oct. 1997, doi: 10.1016/S0040-6090(97)00433-1.
19. [19] İ. Ovalı and C. Esen, Ansys Workbench, 2nd ed. İstanbul: KODLAB, 2017.
20. [20] O. Ersoy, “Bir Raylı Taşıt Gövdesinin Standartlara Göre Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Yapısal Analizi,” Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, Katı Cisimlerin Mekaniği Programı, İstanbul, 2014.