Yüzen bir cismin su altı patlamalarına karşı yapısal davranışının nümerik yöntemler ile analizi

Abstract

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