Kompozit bir teknenin dip levha optimizasyonu

Abstract

Gemi sanayinde üretim malzemeleri teknolojinin gelişmesine paralel yönde değişim göstermektedir. Eski çağlarda ağaç kütüklerinin birbirine bağlanması ile elde edilen sandallar zamanla yerlerini işlenmiş ahşaptan üretilmiş teknelere bırakmıştır. İnsanoğlu metalleri eritip şekil verebildiğinde ise demirden yapılma büyük ve dayanıklı gemiler üretilmeye başlanmıştır. Günümüz teknolojisinde ise demirden yapılan hantal gemilere alternatif olarak çok daha hafif benzer dayanımları gösteren kompozit tekneler üretilmektedir. Kompozit iki veya daha fazla materyalin niteliklerinde değişim olmadan makro düzeyde bir araya gelmesi ile oluşan yapısal malzemedir. Gemi inşaatı sanayisinde polimer matrisli kompozitler kullanılır. Bu kompozitlerde reçine olarak en çok polyester, epoksi ve vinilester; lif olarak da en çok cam elyaf, karbon elyaf ve aramid elyaf kullanılır. Diğer tekne türleri gibi kompozit tekneler de üretilirken belli standartlar ve kurallara tabi tutulur. 24 metre ve altı tekneler daha çok Uluslararası Standardizasyon Teşkilatı'nın (ISO) koyduğu kurallar çerçevesinde boyutlandırılır. Standartlar teknenin dip, borda, güverte gibi kısımlarındaki levhaların ve destek elemanlarının dayanması gereken yüklemeleri ampirik formüller yardımı ile hesaplanmasını sağlar. Yapısal tasarımı yapan mühendis, hesaplanan yüklemeye dayanması şartı ile yapısal elemanların ölçülerini, adetlerini ve konumlarını belirlemede özgürdür. Yapısal elemanlar boyutlandırılırken müşterinin isterileri, malzemelerin standart ölçülerde üretilebilirliği ve en önemlisi üretim maliyetleri göz önüne alınır. Üretim maliyetlerini düşürmek için farklı optimizasyon çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmada kompozit bir teknenin dip levhası üretim maliyetlerini düşürme amacıyla optimize edilmiştir. Literatürde daha önce kullanılan ölçülerde bir levha ve levhayı destekleyen iki adet şapka tipi destek elemanı ele alınmıştır. Dip levhasına etki eden kuvvetler Uluslararası Standardizasyon Teşkilatı'nın 'ISO 12215-5:2019' bölümüne göre belirlenmiştir. Belirtilen bölümdeki kurallar doğrultusunda tekne ve levha ölçüleri kullanılarak; tasarım kategori faktörü (kDC), dinamik yük faktörü (kDYN), boyuna basınç dağıtım faktörü (kL), alan basıncı azaltma faktörü (kAR) katsayıları hesaplanmış bu katsayılar yardımıyla levhaya etki eden basınç kuvveti bulunmuştur. Levha Ansys Mechanical APDL 2021 R1 programında modellenmiş ve analiz edilmiştir. 4 mm'lik 5 katmandan üretileceği düşünülen levhanın her bir katmanı birbirinden bağımsız oryantasyon açısına sahiptir. Yapılan optimizasyon çalışmasında ilk olarak en uygun oryantasyon dizilimi aranmıştır. En uygun dizilim kullanılarak daha sonra ; levha genişliği ve destek eleman yüksekliği optimizasyonu, katman kalınlığı optimizasyonu, sabit hacimde levha genişliği ve katman kalınlığı optimizasyonu yapılmıştır. Yapılan çalışmaları neticesinde ilave bir güçlendirmeye gerek kalmadan sadece levhada açı ve katman optimizasyonu yapılarak çok daha az malzeme ile yeterli dayanımın sağlanabileceği kanıtlanmıştır.