Titreşim kısıtları altında gemi ana makine dairesi yapısal optimizasyonu

Abstract

Gelişen dünyada artan gemi taşımacılığı talebi, gemi tasarımı için önemli bir rol oynamaktadır. Talepleri karşılamak için daha büyük gemiler daha hızlı seyir yapacak şekilde tasarlanmaya başlandı. Daha büyük ve daha hızlı gemiler daha fazla güce ihtiyaç duyar ve daha büyük makine ihtiyacı doğar. Gemilerde daha büyük ve daha hızlı sevk sistemlerinin kullanılması birçok sorunu da beraberinde getirmiştir. Bu makinelerin getirdiği sorunlardan birisi de titreşimdir. Gemilerdeki en büyük titreşim kaynakları geminin ana makinesi ve sevk sistemidir, ana makine ve sevk sistemi gemiler için hayati önem taşımaktadır. Gemilerin sevk sistemini kaybetmesi veya zarar görmesi durumunda gemi hareket kabiliyetini kaybeder. Bu yüzden ana makine dairesinde oluşacak olan problemler önem arz etmektedir. Geminin en büyük ve hayati önem taşıyan elemanları ana makine dairesinde bulunduğundan, titreşim problemi bu bölgenin tasarımında önemli bir yere sahiptir. Tasarım aşamasında tasarımcılar sorunu önceden görür ve çözüm üretirler. Tasarım aşmasında öngörülemeyen titreşim problemlerinin daha sonra çözümü hem maliyetli hem de zordur. Bu tez için örnek olarak alınan 500 TEU taşıma kapasiteli konteyner gemisinin ana makine dairesi sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmiş ve dizayn optimizasyonu yapılmıştır. Serbest titreşim analizleri sonucunda rezonans problemi olduğu ortaya çıkan konteyner gemisinin ana makine dairesinde dizayn optimizasyonu yapılmıştır. Serbest titreşim analizleri yapılan geminin analiz sonuçları optimizasyon kısıtı olarak kullanılmıştır. Ayrıca klas kurallarına göre güverte yükleri belirlenip statik analiz sonuçları da optimizasyon kısıtı olarak kullanılmıştır. Modellenen gemi için klas kurallarına göre rezonans problemi aralığı tanımlanmıştır. Analizler için parametrik bir sonlu eleman modeli (Ansys-APDL) oluşturulmuş ve harici bir optimizasyon koduna bağlanmıştır. Kod bağlantılı bir sonlu elemanlar çözücüsü kullanılarak analiz çözümleri elde edilmiştir. Optimizasyonda ağırlık (yapı maliyetinin bir göstergesi olarak) amaç fonksiyonu olarak seçilmiştir. Optimizasyon probleminin çözümü için COBYLA algoritması kullanılmıştır. Algoritma Python programı içinde bulunan NLOPT optimizasyon kütüphanesi içinde yer almaktadır. Algoritma, doğrusal olmayan eşitsizlik kısıtlamaları ile türevi olmayan problemleri çözmek için kullanılır. Sabit bir topoloji ile makine dairesindeki yapısal elemanların kalınlıkları tasarım probleminin dizayn değişkenleri olarak seçilmiştir. Dizayn değişkenleri olarak güverteler, güvertelerin enine ve boyuna elemanlar, ana makine yatağı ve perdeler alınmıştır. Kısıtlar, klas kurallarının yapısal gerekliliklerine ve sınırlamalarına göre her dizayn değişkeni için ayrı olarak belirlenmiştir. Algoritma, bu dizayn değişkenleri üzerinde ağırlık fonksiyonunun minimum yapmak için kullanılmaktadır. Algoritma her iterasyon için bir serbest titreşim analizi ve statik analiz çözmektedir. Analiz sonucu olarak alınan doğal frekans değeri belirlenen frekans değerinden düşük olup olmadığı kontrol edilir, benzer şekilde okunan gerilme değeri belirlenen güvenli gerilme değerinden düşük olmalıdır. Her iki kısıt belirlenen aralıkta değilse bir sonraki iterasyon için döngü tekrar eder. Optimizasyon sonucunda, belirlenen rezonans probleminin çözümü gerçekleşmiştir. Rezonans problemi çözülen yapının toplam ağırlığında azalış görülmüştür.