Hidrostatik basınç altındaki denizaltı mukavim teknesinin sonlu elemanlar metodu ile optimum yapısal tasarımı

Abstract

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.