Denizaltı mukavim teknesi için bir yapısal tasarım yaklaşımı ve sonlu elemanlar metoduna dayalı yapısal optimizasyon
A structural design approach for submarine pressure hull and finite element based structural optimization
- Tez No: 676639
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET ERGİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 158
Özet
Dış basınca maruz kalan silindirik kabuk yapılar, geçmişte birçok araştırmacı tarafından incelenen mühendislik mekaniğinin klasik problemlerinden biri olmuştur. İnsanoğlunun denizlerin altına inerek muharip unsurları önceden görebilme ve gizli harekat icra ederek düşmanı etkisiz hale getirebilme düşüncesi, insanlık tarihinde eski zamanlara dayanmaktadır. Nihai mukavemet bakımından en verimli su altı formunun belirlenebilmesi için muhtelif tasarımlar geliştirilmiş, yapısal formların dayanım gereksinimleri doğrultusunda ileriye dönük işlerlik ve verimlilik hususlarına yönelik farklı çalışmalar yapılmıştır. Malzemenin mekanik özellikleri doğrultusunda yapının nihai mukavemeti ile ilgili olarak gerçekleştirilen yapısal analizler, yük altındaki davranışların gerilmeler ve deformasyonlar dikkate alınarak tahlil edilebilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Dalış derinliğindeki su basıncına ve oluşabilecek su altı şoklarına maruz kalan kısım denizaltılarda mukavim tekne olarak adlandırılan, kemerelerle takviyeli silindirik bir yapıdır. Tasarım felsefesi ele alındığında yapısal olarak tüm unsurlarıyla bütünlük teşkil eden bir mukavim tekne için çökme gerçekleşmeden evvel malzemenin akma gerilmesine ulaşmaması, yapının vaktinden önce çökme eğilimi göstermemesi bakımından önemli bir olgudur. İmalat hatalarından sebep dairesellik kusurları ve multilineer izotropik malzeme modeli gibi başlıca etkenler, hidrostatik dış basınca maruz kalan denizaltı mukavim teknelerinin, yapısal tasarımlarına yönelik ortaya atılan teorik yaklaşımların geliştirilebilmesi bakımından büyük öneme sahiptir. Mukavim tekne yapı statiğinin anlaşılabilmesi maksadıyla kabuk yapıların dış basınç altındaki davranışları analiz edilmektedir. Nihai dayanım kriterleri doğrultusunda kabuk yapı formu belirlenerek hesaplamalar nezdinde yapısal bileşenler boyutlandırılmaktadır. İç basıncın her noktada eşit olarak dağılması ve nihai mukavemet açısından silindirik formlara kıyasla daha avantajlı olan küresel geometriler, verimlilikleri itibariyle basınçlı kap geometrisine ilişkin optimal çözüm olarak kabul görmüştür. Küresel formlar, duvar gerilmelerinin her yönde aynı olması nedeniyle yapısal dayanım gereklilikleri bakımından silindirik geometrilere nazaran daha verimli kabul edilmiştir. Bu sebepten ötürü bazı denizaltı geometrilerinin küresel formlara yakın olarak tasarlandığı bilinmektedir. Denizaltı tasarımına yönelik yapısal mühendislik yaklaşımlarının ortaya çıktığı çeşitli dönemlerde tercih edilen ince kabuk yapıya haiz silindirik mukavim tekne formları, duvar gerilmelerinin yöne göre değişkenlik göstermesi nedeniyle, yapısal açıdan bölgesel takviyelerin kullanımını gerektirmiştir. Silindirik kabuk yapılarda rijit perdelerle uç kısımların kapatılması, her ne kadar ideal membran durumunu önemli ölçüde değiştirebiliyor olsa da, imal etme açısından birtakım avantajlar sağlamaktadır. Ağırlık ve hacim kriterleri bakımından denizaltıların önemli bir yüzdesini oluşturan mukavim tekne için silindirik yapı geometrisi, tasarıma yönelik en uygun su altı formudur. Çap-uzunluk oranının değiştirilebilmesi ile hacimsel verimlilik gibi geometrik faktörler başta olmak üzere; denizaltı bünyesinde silah sistemlerinin konumlandırılması, cephanenin muhafazası ve operatör personelin idamesi gibi durumlar göz önüne alındığında, küresel geometrilere nazaran silindirik yapısal formların, harekata dayalı askeri hususlar nezdinde daha uygun olduğu değerlendirilmektedir. Modüler tasarım kriterleri doğrultusunda bir su altı aracından beklenen performans isterlerine bağlı olarak, çeşitli sistemleri bünyesinde barındıran denizaltılar için bölmelendirme ve ekipmanların yerleşimi bakımından silindirik geometriye haiz takviyeli kabuk yapılar geliştirilmiştir. Mühendislik uygulamalarında yaygın geçerlilik sahasına sahip olan kabuk yapılar denizaltı mukavim teknelerinin tasarımında referans teşkil etmiştir. Kabuk yapı teorileri temelinde tekne sacı kalınlığı ile ortalama iç yarıçap oranına bağlı olarak ince kabuk yapıya haiz olarak nitelendirilebilecek silindirik denizaltı mukavim tekneleri dalış derinliği ile orantılı hidrostatik dış basınca maruz kalmaktadır. Kabuk yapıyı bir araya getiren elemanlar özelinde eğilme ve membran teorilerine dayalı geliştirilen yaklaşımlar, deneylerden elde edilen verilerle desteklenerek silindirik gövde yapısal tasarımına yönelik analitik hesaplamaların temelini oluşturmuştur. Silindirik denizaltı mukavim teknelerinin, yapısal optimizasyonu ve mukavemet analizi için malzeme mekanik özelliklerinin iyi bilinmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, ezilme derinliğinde hedeflenen kritik burkulma mukavemetinin sağlamasının yanı sıra minimum ağırlığa ve maksimum iç hacme sahip olması amaçlanan denizaltı mukavim teknesinin, takviyeleri ile birlikte düşük karbonlu bir alaşım çeliği olan yüksek mukavemetli ferritik HY100 çeliği ile imal edildiği kabul edilmiştir. Takviyeli silindirik kabuk olarak basitleştirilebilecek denizaltı mukavim tekneleri, dış yüke bağlı olarak asimetrik, simetrik ve yapının genel kararsızlığı olmak üzere üç farklı durum altında değerlendirilebilmektedir. Bu çalışmada, hidrostatik dış basınca bağlı olarak yapının kritik burkulma basıncının tayinine yönelik Alman Donanması'nın BV 1040-2 Denizaltılar İçin Mukavemet Hesaplamaları Standardı ve muhtelif yıllardaki David Taylor Model Deney Havuzu raporlarının sonuçlarına dayalı analitik yaklaşımlar baz alınmıştır. Silindirik denizaltı mukavim teknelerinin nihai dayanım kriterlerine ilişkin DNV-GL klas kuruluşu kuralları içerisinde yer alan burkulma hesaplamalarına yönelik analitik yaklaşımlar, Visual Basic ve Matlab tabanlı hesaplama rutinleri yardımıyla ilgili formüller nezdinde işlevselleştirilmiştir. Analitik hesaplamalara dair teorik altyapı temelinde silindirik mukavim tekne yapısal tasarımına yönelik matematik formülasyonlar bu tez çalışmasında yer almıştır. Mukavemet isterleri doğrultusunda minimum ağırlığın hedeflendiği yapısal optimizasyon çalışması, ideal bir tasarım için büyük önem arz etmektedir. Kritik burkulma basıncı ve iç hacim kriterleri gözetilerek ağırlık minimizasyonunun mümkün kılınması, yapısal dizaynı etkileyen parametrelerin etkin bir şekilde harmanlanarak hedeflenen yapı dayanım gerekliliklerinin sağlanmasıyla geçerli olmaktadır. Kabuk yapının burkulma davranışlarını gözeterek, üç boyutlu tekil kemere geometrisi temelinde tayin edilen tasarım parametreleri, belirlenen değer aralıkları doğrultusunda optimize edilmiştir. Sonlu eleman ANSYS paket programı ile Matlab tabanlı bir optimizasyon yazılımı kullanılarak sayısal optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Silindirik mukavim tekne ortalama iç yarıçapı, tekne sacı kalınlığı ve kemere aralığı başta olmak üzere takviye geometrisini teşkil eden web ve flenç kısımların boyutlandırma detayları dikkate alınarak, toplamda yedi adet dizayn parametresi için hesaplama basıncına yönelik dayanım kriterleri irdelenmiştir. Silindirik gövdenin üç temel burkulma durumundaki davranışları nezdinde yapısal amaç fonksiyonları aracılığıyla azami dalış derinliğindeki basınca karşı dayanım sağlayabilecek, optimal boyutlu takviyelerle desteklenmiş minimum ağırlığa haiz yapı geometrisinin oluşturulması hedeflenmiştir. Yapısal tasarım parametreleri, başlangıç değerleri referans alınarak, minimum yapı ağırlığı ve maksimum iç hacim hedefleri doğrultusunda, gerekli kritik burkulma yükünü sağlayacak şekilde optimize edilmiştir. Optimum ağırlığın hedeflendiği, silindirik denizaltı mukavim teknesi için çevresel ve eksenel yöndeki gerilmelere dayalı olarak yapısal boyutlandırma aralıkları tayin edilmiştir. Bu durum, nihai tasarımdan evvel aday dizayn noktalarının seçilebilirliği bakımından belirleyici olmuştur. Regresyon analizleri vasıtasıyla yapısal tasarıma etki eden her bir girdi parametresinin korelasyon bağlamında çıktı parametreleriyle olan ilişkisi, matematiksel altyapı temelinde detaylandırılmıştır. Sayısal optimizasyona dayalı deneysel tasarım çalışması neticesinde oluşturulan parametrik korelasyon tablosu, girdi parametrelerinin hassasiyet yüzdeleri doğrultusunda münferit bağıntı katsayılarıyla desteklenmiştir. Analitik sonuçlarla bütünleşik çıktı değerlerinin paylaşıldığı aday tasarımlar çizelgesi içerisinden uygun olduğu değerlendirilen dizayn modeli seçilerek, her iki ucundan rijit perdelerle bölmelendirilmiş örnek denizaltı mukavim tekne modeli oluşturulmuştur. Takviye rijitliklerinin yeterliliği hususunun değerlendirilmesi amacıyla içten takviyeli silindirik mukavim teknesi için sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. ANSYS paket programı bünyesinde multilineer izotropik malzeme modelinin dahil edildiği hesaplama süresi göz önünde bulundurularak oluşturulan en uygun ağ yapısıyla, üç boyutlu katı modellemesi gerçekleştirilen mukavim tekne kompartımanı, sınır koşulları ve yükleme durumuna bağlı olarak çözümlenmiştir. Analitik sonuca kıyasla oldukça düşük bir hata oranıyla sayısal sonucun elde edilmesi, silindirik gövdenin yapısal mukavemet hesaplamalarına yönelik bu tez çalışmasında tercih edilen BV 1040-2 Standardına dayalı analitik yaklaşımların uygunluğu bakımından belirleyici olmuştur. Sonuç olarak içten takviyeli silindirik denizaltı mukavim teknelerinin nihai yapısal tasarımına giden yolda ilk yaklaşıma bağlı olarak belirlenen yapısal dizayn parametreleri optimize edilerek ideal tasarım belirlenmiştir. Minimum ağırlığa haiz denizaltı mukavim teknesi için dizayn kısıtları gözetilerek farklı değer aralıkları doğrultusunda sayısal çözümlemelerle belirlenen tasarım modelleri, analitik verilerle bütünleşik olarak yapısal analiz sürecinden geçirilmiştir. Optimizasyon neticesinde sayısal değerlerle desteklenen analitik veriler kullanılarak silindirik denizaltı mukavim teknesinin yapısal tasarım süreci sonuçlandırılmıştır.
Özet (Çeviri)
Cylindrical shell structures subjected to external pressure have been one of the classic problems of engineering mechanics studied by many researchers in the past. The idea of human beings able to identify combat elements in advance by going under the seas and neutralizing the enemy by carrying out secret operations is based on ancient times in human history. Various designs have been developed to determine the most efficient underwater forms regarding ultimate structural strength, and different studies have been carried for operability and efficiency issues in line with the strength requirements of the structural forms. Structural analyzes with respect to the ultimate strength of the structure in line with the material's mechanical properties are of great importance in the investigation of structural behaviors under loads such as stresses and deformations. The cylindrical structure stiffened with frames and subjected to the pressure of water at diving depth and the underwater shocks, may be called as submarine pressure hull. Considering the design philosophy, it is important for the pressure hull that it structurally has its integrity with all its components and that the material does not reach the yield stress before the collapse occurs. Therefore, the structure does not experience an early collapse. The factors such as the circumferential imperfections due to fabrication defects and the material multilinear isotropic hardening are of great importance in theoretical structural models for submarine pressure hulls exposed to hydrostatic external pressure. In order to understand the statics of the pressure hull structure, the behavior of the shell structure under external pressure is analyzed. In accordance with the ultimate strength criteria the shell structure's form is determined and the structural components are dimensioned, based on the calculations. Spherical geometries are more advantageous to cylindrical forms regarding their uniform internal pressure distribution over their surface, and their ultimate strength capacity has been accepted as the most appropriate for pressure vessels. Spherical forms are also more efficient than cylindrical geometries due to the fact that the wall stresses are the same in all directions. Because of this reason, it is known that some submarine geometries are designed close to spherical forms. Thin-walled cylindrical pressure hulls, which have been preferred with the advancements in submarine pressure hull structural design approaches require the use of regional reinforcements due to the directional variation of wall stresses. Although closing the ends with rigid bulkheads can significantly change the ideal membrane state, cylindrical structures have a number of advantages due to the ease of their fabrication. The cylindrical geometry is the most suitable form for underwater pressure hulls, and a significant percentage of submarine pressure hulls have cylindrical geometry regarding weight and volume criteria. Considering the geometric factors such as the diameter to length ratio and volumetric efficiency, positioning weapon systems and ammunition in the submarines, and sustainment of personnel, cylindrical form is more superior to spherical geometry for military considerations. In line with the modular design criteria, stiffened cylindrical shell structures have been developed for the compartmentalization of submarines that contain several systems. Shell structures that are common in engineering applications have been constituting reference in the design of submarine pressure hulls. On the basis of shell structure theories, cylindrical submarine pressure hulls which may be described as a thin walled shell structure, regarding their ratio of hull plate thickness to average inner radius, are assumed as being subjected to hydrostatic external pressure depending on the diving depth. The approaches developed based on bending and membrane theories have formed the basis of analytical methods for cylindrical shell structures, supported by the data obtained from experiments. It is necessary to know the mechanical properties of the material well for the strength analysis of cylindrical submarine pressure hulls in structural optimization. In this study, it is accepted that the submarine pressure hull, which is optimized to have minimum weight and maximum internal volume as well as satisfying the critical buckling pressure at the collapse water depth, was manufactured with high strength ferritic HY100 steel, which is a low carbon alloy steel with its frames. Submarine pressure hulls, which may be regarded as a stiffened cylindrical shell structure, may be forced to buckling in three basic situations such as asymmetrical symmetrical and general instability depending on the external load. In this study, the analytical approaches, based on the German Navy BV 1040-2 Strength Calculations for Submarines Standard and results of David Taylor Model Basin reports, are taken as basis to determine the critical buckling pressure of the structure due to the hydrostatic external pressure. Analytical approaches towards structural stability calculations included in DNV-GL classification rules regarding the ultimate strength criteria of cylindrical submarine pressure hulls have been functionalized with the help of Visual Basic and Matlab-based calculation routines. On the basis of the theoretical background for analytical calculations, all formulas for the structural design of cylindrical pressure hulls are included in this thesis. In line with the strength requirements, the structural optimization study aiming at the minimum weight is of great importance for an ideal structural design by considering critical buckling pressure and internal volume criteria, the weight optimization is made by effectively blending the structural design parameters. Based on the buckling behavior of the shell structure, the structural design parameters are determined through the three-dimensional single frame geometry and optimized in line with the specified value ranges. The numerical optimization study was carried out using the Matlab-based optimization program of ANSYS packaged software. The pressure strength criteria for a total of seven design parameters were examined taking into account the details of the web and flange geometries. Considering the behavior of the cylindrical structure in three basic buckling modes, it is aimed to create a structure geometry with a minimum weight supported by optimally dimensioned frames that can provide strength against the pressure at the maximum diving depth. The frame dimensions are first determined by reference to the first approach concept in the structural design and the structural optimization is performed targeting the minimum structural weight and satisfying the critical buckling load and internal volume parameters. This situation has been decisive for the selection of candidate design points before the final design. By means of regression analysis, the relationship of each input parameter affecting structural design with output parameters in the context of correlation was detailed on the basis of mathematical background. The parametric correlation table created as a result of the experimental design study, based on numerical optimization, was supported with individual correlation coefficients in line with the sensitivity percentages of the input parameters. By selecting the design model that is considered to be suitable from the candidate designs chart in which output values are shared with the analytical results the sample submarine pressure hull compartment, which is compartmentalized with rigid bulkheads at both ends, has been modeled. Based on the assumption that the frame stiffness is not sufficient, the internally stiffened cylindrical pressure hull was modeled by finite elements. The pressure hull has been modeled with the best mesh structure created by considering material multilinear isotropic hardening and the boundary and loading conditions. Obtaining the numerical result with a very low error rate compared to the analytical results has been decisive in terms of the suitability of the analytical approaches based on the BV 1040-2 Standard preferred in this thesis for the structural strength calculations of the cylindrical pressure hull. Finally, the structural dimensioning details created based on the first approach on the way to the final structural design of the internally stiffened cylindrical submarine pressure hull have been optimized with a parametric study. Considering the design constraints together with the minimum weight objective, experimental design models determined from the numerical analysis with different ranges of design parameters were obtained. As a result of the optimization, using the analytical data supported by the numerical results, the structural design process of the cylindrical submarine pressure hull has been finalized.
Benzer Tezler
- Hidrostatik basınç altındaki denizaltı mukavim teknesinin sonlu elemanlar metodu ile optimum yapısal tasarımı
Optimum structural design of a submarine pressure hull under hydrostatic pressure with finite element method
BURAK EYİLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTEKİN BAYRAKTARKATAL
- Dairesellikten kaçıklığın silindirik kabuk yapıların burkulma basıncına etkilerinin incelenmesi ve denizaltı mukavim teknesi burkulma analizi tatbiki
The investigation of the effects of out-off-roundness on the buckling pressure of the cylindrical shell structures and application of submarine pressure hull buckling analysis
BAYCAN TOPTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ERGİN
- Askeri denizaltılarda, mukavim tekne yapısal özelliklerinin ön tasarım aşamasında değerlendirilmesi
In military submarine, pressure hull structural characteristics of evaluation of preliminary design
KEREM ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Gedik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ BAYKAL
- Dış basınca maruz takviyeli silindirik kabukların yapısal stabilitesinin incelenmesi
An investigation on structural stability of ring stiffened cylindrical shells subjected to external pressure load
BÜLENT FIRAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. YALÇIN ÜNSAN
- Dalmış durumdaki bir denizaltı kabuğunun deformasyonunun incelenmesi
An investigation on deformation of a submersed submarine vessel's shell
KEREM YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMAİL BAYER