LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19282

Gözat

Yazar "Bayraktarkatal, Ertekin" ile LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Hidrostatik basınç altındaki denizaltı mukavim teknesinin sonlu elemanlar metodu ile optimum yapısal tasarımı
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-09-22) Eyiler, Burak ; Bayraktarkatal, Ertekin ; 508191006 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Mukavim tekne, hidrostatik basınç altında denizaltıların görevlerini sorunsuz bir şekilde idame ettirebilmesi için çevresel yüklere dayanmasını sağlayan en önemli yapısal bileşenidir. Denizaltı mukavim teknesi tasarımından maksimum verimlilik için bazı amaç fonksiyonları esas alınmaktadır. Bunlar maksimum mukavemet ve iç hacim nezdinde minimum ağırlığa sahip yapılardır. Sephiye faktörü olarak dikkate alınan ağırlık/hacim oranı denizaltı mukavim teknesi tasarımlarında değerlendirilen önemli bir parametredir. Yapısal verimlilik açısından bu değerin minimum olması istenmektedir. Denizaltı ömrü boyunca icra edeceği görevler nezdinde değişen dalış derinliklerine bağlı olarak hidrostatik yüklere maruz kalmaktadır. Bu dalış derinlikleri denizaltı mukavim teknelerinin kullanım ömrü başta olmak üzere tasarımlarına etki eden birincil bileşenlerdir. Denizaltı mukavim teknesi göçme derinliğindeki basınçta burkulmaya maruz kalmaktadır. Denizaltıların yapısal olarak stabil olabilmeleri için burkulma kaynaklı oluşacak deformasyonlara karşı dayanaklı olması gerekir. Bu tez kapsamında gerek mukavim tekne yapısal elemanların boyutlandırılması gerekse kritik burkulma basınçlarının hesaplamalarında göçme dalış derinliği basıncı esas alınmıştır. Denizaltı mukavim tekne yapısal elemanların boyutlandırılmasında Dohan Oh ve Bonguk Koo tarafından optimum yapısal tasarım için önerilen yaklaşım kullanılmıştır. Dohan Oh ve Bonguk Koo yapmış oldukları araştırma sonucunda kabuk kalınlığı, flenç genişliği, flenç kalınlığı, web yüksekliği ve web kalınlığı için yarıçap, akma dayanımı ve tasarım basıncı ile bağlantılı ağırlık optimizasyona yönelik ilk boyutlandırma formülleri bulmuşlardır. Çalışma sonucunda ise mukavim tekne ağırlığının % 6 ila % 19 arasında azaldığını keşfetmişlerdir. Ayrıca bu tez kapsamında askeri standartlara göre de mukavim tekne tasarlanarak sonuçlar kıyaslanmıştır. Askeri standartlara göre ele alınan yaklaşımın mukavim teknenin optimum tasarımı açısından elverişsiz olduğuna ulaşılmıştır. Denizaltı mukavim tekne yapı malzemesi olarak yüksek akma dayanımına sahip alaşımlama veya ısıl işlemle üretilmiş HY sınıfı çelikler kullanılmaktadır. Bu çelik malzemeler yüksek elastisite modülü avantajları ile burkulma hasarlarından kaçınarak tasarım yapmayı mümkün kılmaktadır. Bu çalışmada tasarlanan tüm mukavim tekne yapısal elemanlarının tümünde HY100 çeliği kullanılmıştır. Denizaltı mukavim teknesi tasarımlarında burkulma mukavemetinin arttırılması için yapıda takviye elemanları kullanılmaktadır. Literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde farklı geometride takviye elemanlarının kullanıldığı görülmüştür. Bu tezde takviye elemanı olarak T ve lama kesitleri tercih edilmiştir. Günümüz gemi konstrüksiyonları incelendiğinde nihai mukavemet için boyuna ve enine elemanların kullanıldığı farklı sistemler görülmektedir. Bu çalışmada T ve lama takviye elemanlarının kullanıldığı enine, boyuna ve hem enine hem boyuna (kombine) sistemler incelenerek en optimum tekne geometrisi araştırılmıştır. Lama ve T takviyeli sistemlerin tasarımında aynı kesit atalet momenti yapıları kıyaslamada esas alınmıştır. Tekne içi kullanılabilir hacim avantajları nedeniyle takviye elemanlarının mukavim teknenin dış kısmında kullanıldığı dıştan takviyeli sistemlerde tasarlanmıştır. Denizaltı mukavim teknesi hidrostatik basınç altında kabuk kararsızlığı ve genel kararsızlık olmak üzere iki farklı hasar davranışı göstermektedir. Bunlardan kabuk kararsızlığı takviyeler arası desteklenmeyen kabuk uzunluğunun deformasyona uğradığı asimetrik ve simetrik burkulma şekilleridir. Genel kararsızlık burkulma şekli ise takviyelerin kesit atalet momentlerinin yetersizliğinden kaynaklanan takviyelerle birlikte yapının burkulmasıdır. Bu çalışmada kabuk ve genel kararsızlık deformasyonuna sebep olacak kritik burkulma basınçlarının hesapları için DNV-GL klas kuruluşu nezdinde David Taylor model havuzunda yapılan deneysel çalışmalar baz alınarak üretilen formüllerden yararlanılmıştır. DNV-GL hesapları temel alınarak hesaplanan kritik burkulma basınçlarının akabinde öz değer burkulma analizleri gerçekleştirilmiştir. Genel kararsızlık burkulma şeklinin gözlendiği bu analiz sonucuna, DNV-GL klas kuruluşu nezdinde hesaplanan kritik burkulma basıncının yakınsadığı gözlenmiştir. Optiumum tekne yapısının araştırıldığı bu çalışmada aynı ağırlık değerinde farklı takviyelerin kullanıldığı sistemlerde maksimum kritik burkulma basıncı araştırılmıştır. Optimizasyon çalışması için Ansys'in optimizasyon aracı burkulma analizine bağlanmıştır. Optimizasyona temel teşkil eden giriş parametreleri olarak kabuk, web ve flenç kalınlıkları düşünülmüştür. Çıktı parametreleri olarak ağırlık, kritik burkulma basıncı ve kullanılabilir iç hacim belirlenmiştir. Optimizasyon çalışması sonucu flenç kalınlığının kritik burkulma basıncıyla iyi bir korelasyon yakaladığı gözlenmiştir. İdeal geometrinin araştırıldığı sonlu elemanlar analizleri sonucunda reelde de birçok denizaltı mukavim teknesi tasarımında da kullanılan T takviyeli enine sistemlerin ağırlık/mukavemet açısından uygun olduğu görülmüştür. Her ne kadar kullanılabilir iç hacim açısından dıştan takviyeli sistemler avantajlı olsa da mukavemet açısından istenilen sonuçlar elde edilememiştir. Boyuna takviye elemanlarının kullanıldığı sistemler burkulma mukavemeti açısından değerlendirildiğinde bu takviyelerin yapıları desteklemede çok yetersiz kaldığı görülmüştür. Kombine sistemlerin enine içten takviyeli sistemlere göre aynı kritik burkulma basıncında daha ağır kaldıkları görülmüştür. Optimum destek tipi olarak, T takviyelerin burkulma açısından lama profillere göre daha efektif olduğu sonucuna varılmıştır. Aynı ağırlıkta tasarlanan mukavim tekneleri azalan kritik burkulma basıncına göre sıralayacak olursak: enine içten takviyeli sistem, enine dıştan takviyeli sistem, kombine içten takviyeli sistem, kombine dıştan takviyeli sistem, boyuna içten takviyeli olmaktadır.
  • Öge
    Yüzen bir cismin su altı patlamalarına karşı yapısal davranışının nümerik yöntemler ile analizi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-23) Kabakçıoğlu, Fuat ; Bayraktarkatal, Ertekin ; 508152002 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği
    Su altı patlaması olayını sayısal yöntemlerle doğru ve gerçekçi bir şekilde modelleyebilme yeteneği, bugün bile tüm donanmaların odaklandığı ve üzerinde milyonlarca dolar harcadığı bir olgudur. Bu çalışmaların büyük çoğunluğu ve gerçek boyutlu sualtı patlama testleri, yüksek derecede gizlilik içerdikleri için literatürde ve açık kaynaklarda ayrıntılı olarak yer almamaktadır. Genel olarak, mayınlar ve torpidolar, deniz savaşları sırasında savaş gemileri ve diğer donanma unsurları için en korkulan tehditler arasındadır. Mühendisler, oldukça uzun süredir, su altı patlamasının savaş gemileri üzerindeki etkisini anlamaya ve analize etmeye çalışmışlar ve bu konuda oldukça başarılı sonuçlar elde etmişlerdir. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında üzerinde durulduğu gibi, günümüzde bile tam olarak anlaşılamayan ve üzerinde daha derin çalışmaların gerçekleştirilmesi gereken alt konular bulunmaktadır. Mayınlar, torpidolar ve diğer su altı patlayıcıları, yalnızca donanma araçları için bir sorun değil, aynı zamanda elektro-optik kablo, petrol ve doğal gaz boru döşeme operasyonları, su altı madencilik uygulamaları vb. gibi açık deniz mühendislik uygulamaları için de büyük bir tehdit oluşturmaktadır. Baltık Denizi, Kuzey Denizi Kıyıları, Kuzey Almanya ve Manş Denizi'nde I. ve II. Dünya Savaşları'ndan kalan patlamamış bu mühimmatlar, günümüzde bile hem insan hayatını hem de ülkelerin ekonomik bölge ve çıkarlarını tehdit etmektedir. Bu nedenle, patlayıcıların deniz yapıları üzerindeki etkilerinin tahmin edilmesi ve incelenmesi, insan yaşamının ve milyon dolarlık ekipmanın bu patlamalar neticesinde nasıl etkilenebileceğini anlamak için oldukça önemlidir. Farklı su altı patlama senaryoları esas alınarak, gemi mühendisleri, su altı patlamasının etkilerini insanlar ve gemi ekipmanları üzerinde azaltabilmek için farklı yapısal önlemler geliştirebilirler. Bunun sağlanabilmesi için, su altı patlaması olayının iyi bir şekilde anlaşılabilmesi ve matematik modelinin doğru bir şekilde kurulması oldukça önemlidir. Sualtı patlaması sonucunda gemi ve hayati sistemleri olumsuz bir şekilde etkilenmektedir. Dünya donanmalarının çoğu, ekipmanın tasarım ve teklif verme aşamalarında ekipmanın şok direncini belirlemek için Birleşik Krallık savunma standartları olan DEF-STAN-08-120/2 gerekliliklerini göz önünde bulundurmaktadır. Bir deniz aracının ömrü boyunca kullanacağı teçhizat, DEF-STAN-08-12'de tanımlanan sertifikalara sahip olmalıdır. DEF-STAN-08-120/2'ye ek olarak, birçok deniz aracı ekipmanı yine Amerika Birleşik Devletleri savunma standardı olan MILS-901D'ye göre şok testlerine tabi tutulabilir ve bu testlerden başarı ile geçmelidir. Bu testler, denizaltı basınçlı gövde penetrasyonları hariç olmak üzere, gemideki makine, ekipman, sistem ve yapılar için şok testi gerekliliklerini kapsamaktadır. Bu testlerin amacı, gemideki ekipman ve tesislerin, savaş sırasında nükleer ve konvansiyonel silahların etkileri nedeniyle maruz kalabilecekleri şok yüklere dayanma kabiliyetini araştırmak ve doğrulamaktır. Bunun için şok dalgasının ekipman üzerindeki ivme ve hız değerlerinin doğru bir şekilde hesaplanması ve analiz edilmesi gerekir.xxvi Gerçekleştirilen analizlerden elde edilen sonuçların doğruluğunun deneylerle sağlanması esastır. Su altı patlama analizinde elde edilen sonuçlarda su bölgesi ve hedef plaka ağ yapısı özelliklerinin doğru bir şekilde tanımlanması çok önemlidir. Öte yandan, patlayıcı, su bölgesi ve hedef plaka parametreleri, sonuçları önemli ölçüde etkileyen diğer önemli analiz girdileri arasındadır. Su altı patlama deneyleri maliyetli olduğundan ve donanmalar ve hükümetler tarafından yüksek gizlilik dereceleri ile sınıflandırıldığından, literatürde gerçek ölçekli deneysel sonuçlar bulmak oldukça zordur. Bu nedenle, literatürdeki hemen hemen tüm deneyler ve çalışmalar, basitleştirişmiş dairesel, dikdörtgen, silindirik ve sabit mesnetli plakalar ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, Johnson-Cook plastisite modeli kullanılarak dikdörtgen şeklindeki yüksek mukavemetli çelik bir levha, ABAQUS yazılımında yer alan S4R dört düğümlü genel amaçlı kabuk elemanları kullanılarak ağlandırılmıştır. Patlayıcı için Geers-Hunter TNT modeli kullanılmıştır. Analiz sonucunda elde edilen değerler deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. ASC analizinde, akustik alan için ASI3D8, 8 düğümlü ikinci dereceden elemanlar kullanılmıştır. CEL analizi sırasında, üç boyutlu, 8 düğümlü EC3D8R Euler öğeleri kullanılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, TNT'nin durum denklemlerinin tanımlanması esnasında kullanılan Geers-Hunter parametreleri üzerinde SOBOL varyans tabanlı duyarlılık analizi gerçekleştirilmiştir. Su altı patlaması ile ilgili kapsamlı bir literatür olmasına rağmen, mevcut çalışmaların hiçbiri özellikle patlayıcı parametrelerin sonuçlar üzerindeki etkisini incelememiş ve SOBOL varyans tabanlı duyarlılık analizleri gerçekleştirmemiştir. Gerçekleştirilen analizler neticesinde "𝐾" ve "𝑘" Geers-Hunter TNT parametrelerinin sonuçlar üzerinde en etkili parametreler olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca bugüne kadar yapılan çalışmalarda doğru şok dalgası basıncı ve hedef yapı deformasyonlarının elde edilebilmesi için Euler ve Lagrangian yapıları arasındaki ağ yapısı ilişkisinin nasıl olması gerektiği ile ilgili herhangi bir önermede bulunulmamıştır. Burada bahsedilen maddelere ek olarak yine literatür taramasında elde edilen sonuçların tutarlılığını kontrol edebilmek amacı ile enerji yaklaşımı veya kodu ile nümerik analiz sonuçların kaşılaştırıldığı bir çalışmaya rastlanmamıştır. Burada belirtilen nedenlerden dolayı, bu çalışmanın, sualtı patlama olayının matematiksel modellemesi için sayısal yöntemler ve ilgili parametrelerin kullanılması konusunda literatüre katkıda bulunması amaçlanmıştır. Bu tez çalışmasında sadece Acoustic Solid Coupling (ASC) yöntemi ile değil aynı zamanda Coupled Euler Lagrange (CEL) yöntemi ile sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. CEL yöntemi, ASC yönteminden tamamen farklı bir nümerik yöntemdir. ASC ve CEL yöntemleri arasındaki en önemli fark, CEL yönteminde patlayıcının da ağlandırılması gerekliliğidir. ABAQUS yazılımında, ASC analizinde patlayıcının konumu, hedef deniz yapısının konumuna göre x, y ve z koordinat sisteminde girilerek bir nokta olarak tanımlanabilmektedir. Analizleri gerçekleştiren mühendis, yalnızca patlayıcı parametrelerini ve patlayıcının lokasyonunu tanımlayarak analizleri gerçekleştirebilir. Buna karşın, CEL analizlerinde TNT veya diğer patlayıcının da geometrik olarak tanımlanması ve sonrasında ağlandırılması gerekmektedir. Bu çalışmada açık bir şekilde ortaya konmuş olduğu gibi, patlayıcıyı çevreleyen su ortamının ağ yapısı doğrudan patlayıcı ağ yapısı ile ilişkili olduğundan, CEL analizleri, ASC analizlerine göre çözüm süresi ve bilgisayar donanımı gerekliliği açısından daha maliyetlidir. Ancak, CEL yaklaşımı, patlayıcının küresel, kübik vexxvii diğer rastgele şekiller gibi farklı geometrilerle modellenmesine izin verebildiği için analizi gerçekleştiren mühendise avantaj sağlamaktadır. ASC ve CEL analizlerine dayalı olarak elde edilen sonuçlar birbirleriyle ve ayrıca deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Yukarıda belirtilen sayısal analizlerin dışında, analiz sırasında patlayıcıdan, patlayıcıyı çevreleyen sıvıya enerji akışını gözlemlemek için bu çalışma kapsamında PTC Mathcad yazılımı kullanılarak, şok dalgası için enerji kodu yazılmıştır. Bu kod, Eşleştirilmiş Euler Lagrange sayısal analizinde şok dalgasının önündeki enerji dağılımının kontrol edilebilmesi ve takip edilebilmesi açısından önemli bilgi vermektedir. Bu çalışmanın ilerleyen bölümlerinde bu konuda ayrıntılı bilgi verilmiş olup, yazılan şok dalgası enerji kodu EK-1'de yer almaktadır. Analiz sırasında toplam enerji değişimini takip etmek, ağ yapısının doğruluğu ve kararlılığı hakkında da iyi bir fikir vermektedir. Analiz sırasındaki toplam enerji dağılımı sürekli kontrol edilmeli ve her adımda, analiz sırasında mevcut adım ile bir önceki adım arasında önemli bir fark olup olmadığı kontrol edilmelidir. Bu çalışma, deneysel yöntemler ile elde edilmiş olan plaka deformasyonunu sağlayabilecek parametreler ve ağ yapısı özelliklerini belirlemek ve bu özelliklerin, yakın su altı patlamasına maruz kalan daha büyük ölçekli deniz yapılarına uygulanabilmesini sağlamak amacı ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma neticesinde bu konuda bir önermede bulunulmuş ve bu önermenin doğruluğu deneysel ve karşılaştırmalı yöntemler ile sağlanmıştır. ASC ve CEL analizleri neticesinde elde edilen şok dalgası basıncı, ampirik formüllerle ile elde edilen şok dalgası basıncı ile fikir vermesi açısından karşılaştırılmış ve elde edilen değerler ilerleyen bölümlerde sunulmuştur. Analizler neticesinde hem akustik hem de Euler bölgesi ağ yapısı boyutlarının yaklaşık 8 mm olarak kullanılması durumunda hem şok dalgasına maruz kalan plakanın deformasyonu, hem de ampirik yöntemler kullanılarak elde edilen şok dalgası basıncına en yakın sonuçların elde edildiği anlaşılmıştır. Bununla birlikte, deney sonuçları ile tutarlı sonuçlar elde etmek için, ASC yönteminde hedef plakada 25 mm eleman boyutları kullanılması durumunda, deney sonuçlarına en yakın sonuçlar elde edilirken, CEL analizlerinde hedef plaka için eleman boyutunun 21 mm olması durumunda deney sonuçlarına en yakın deformasyon değerleri elde edilmiştir