Yüzen bir cismin su altı patlamalarına karşı yapısal davranışının nümerik yöntemler ile analizi
Analysis of the structural behavior of a floatingobject to underwater explosion by numerical methods
- Tez No: 848298
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERTEKİN BAYRAKTARKATAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 232
Özet
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
Özet (Çeviri)
The ability to accurately and realistically model the underwater explosion event using numerical methods is a phenomenon that all navies still focus on and spend millions of dollars on even today. Many of these studies and life-size underwater explosion tests are not detailed in the literature and open sources since they involve a high degree of secrecy. Generally speaking, mines and torpedoes are among the most feared threats for naval crafts during sea warfare. Engineers have always sought to predict the underwater explosion's effect on naval vessels. Mines, torpedoes and other underwater explosives threaten not only an issue for the naval vessels but also a massive threat for offshore engineering applications such as electro-optic cable, petrol and natural gas pipe laying operations, underwater mining applications, etc. Investors and engineers still face the danger of un-exploded ordnances from the First and Second World Wars. There are still unexploded ordnances such as torpedoes and aerial bombs being found in the Baltic Sea, North Sea Shores, Northern Germany, and English Channel from World War I and II. These unexploded ordnances have still been threatening both human life and the economic zones of the countries. Thus, predicting the effect of explosives on marine structures is essential to understand how human life and milliondollar equipment that would be affected due to the underwater explosion phenomenon. Based on the different underwater explosion scenarios, structural engineers can improve the design of marine structures to mitigate and manage the effect of the underwater explosion. As a result of the underwater explosion, the ship and its vital systems are affected. Most of the world's navies consider DEF-STAN-08-120/2 requirements for determining the shock strength of equipment during the designing and bidding stages of the equipment. The equipment used during the naval craft's lifetime must have the certificates defined in the DEF-STAN-08-120/2. Many naval craft components should be tested and qualified by the shock tests as per MIL-S-901D. These tests cover shock testing requirements for shipboard machinery, equipment, systems and structures, excluding submarine pressure hull penetrations. The purpose of these tests is to verify the ability of shipboard installations to withstand shock loadings that may be incurred during wartime service due to the effects of nuclear and conventional weapons. To do this, acceleration and velocity values on the equipment due to the shock wave must be calculated and analysed correctly. It is essential to ensure the accuracy of the results obtained from the analyses through experiments. Water domain and target plate mesh properties are crucial in the obtained results in underwater explosion analysis. On the other hand, explosive, water domain, and target plate constants are other important parameters that significantly impact on the results. Since underwater explosion experiments are costly and classified by the navies and governments, it is hard to find real-scale experimental results in the literature. Hence, almost all experiments and studies in the literature have been carriedxxx out with restrained circular sections, rectangular sections, cylindrical sections and simply supported plates. In this thesis, we investigate the influence of explosive parameters (in this study, TNT equivalent PEK 1) on the results of Sobol variance-based sensitivity analysis in the context of underwater explosion simulations. While there is an extensive body of literature related to this field, none of the existing studies has specifically examined the effect of explosive parameters on the results and conducted Sobol variance-based sensitivity analyses. Our findings demonstrate that the“K”and“k”Geers-Hunter TNT parameters are the most impactful, and both explosive parameters and mesh structures considerably affect the simulation outcomes. These insights can be employed to enhance the accuracy of numerical simulations of explosive-target interactions. In this study, we begin by introducing the acoustic-solid coupling (ASC) numerical method and the Sobol variance-based sensitivity analysis technique. We then delve into the explosive parameters and mesh structures utilised in our study. Finally, we present the outcomes of our sensitivity analysis and discuss the implications of our findings in light of the existing literature. The insights derived from our study can contribute to improving the accuracy of numerical simulations of explosive-target interactions. By comprehending the effects of explosive parameters and mesh structures, we can refine our simulations and reduce the uncertainty associated with the results, ultimately advancing the field of underwater explosion analysis and filling the identified gap in the literature. Although there are quite a large number of studies on this subject in the literature, variable-based sensitivity analyses (Sobol) on the parameters used during the analyses were not performed and introduced in any of these studies. In addition, in the studies carried out to date, no suggestions have been made about the necessity of a mesh structure relationship between Euler and Lagrangian structures. In addition to the items mentioned here, again in the literature review, no study was found in which the results were verified with any energy approach or code in order to check the consistency of the results obtained. For the reasons stated here, this thesis aims to contribute to the literature on using numerical methods and related parameters for the mathematical modelling of the underwater explosion event. In this thesis, numerical analyses were performed not only by the Acoustic Solid Coupling (ASC) method but also Coupled Euler Lagrange (CEL) method. The CEL method is an entirely different approach than the ASC method. The most significant difference between the ASC and the CEL methods is the requirement to mesh the explosive. In the ASC analysis, the explosive can be defined as the point defined by entering the coordinated in relation to the target marine structure in ABAQUS. The analyst only defines the explosive parameters and location of the explosive. Hence this analysis requires less computational time and is computationally less expensive than CEL analysis. On the other hand, the CEL method gives quite a good opportunity to mesh the explosive and surrounding domain around the explosive. Additionally, the CEL approach allows modelling the explosive with different geometries such as spherical, cubical and other random shapes. Both ASC ad CEL methods converged very well to experimental results using the same size in the water domain element sizes. Both methods are widely used to model the underwater explosion phenomena successfully. Since the CEL method presents more opportunities, during the definition of mesh relation between the medium and explosive, in this study, more effort wasxxxi given to the CEL method and the CEL method was chosen over the ASC method during the analysis of the midget submarine. The acquired results based on the ASC and CEL analysis were compared to each other and also with the experimental results. Apart from the abovementioned numerical analyses, the shock wave energy code was written in PTC Mathcad within the scope of this study to observe the energy flux from the explosive to the liquid surrounding the explosive during the analysis. This code gives a good idea and a chance to compare the energy dissipation in front of the shock wave in the Coupled Euler Lagrange numerical analysis. Detailed information was provided in the following part of this study, and the written shock wave energy code can be found in Annex-1. Following the total energy output during the analysis also gives a good idea about the success and stability of the meshing. Total energy dissipation during the analysis should be checked constantly, and in every step, there should not be a significant difference between the current step and the previous step during the analysis. The prerequisite for correctly analysing the deformation, acceleration and other physical responses of the marine structure in underwater explosions is to verify whether the shock wave reaches the target structure at the correct magnitudes. Thus, both empirical shock pressure calculations and the energy dissipation of the shock wave have been investigated in this thesis. Our aim was not to reach the shock wave pressure calculated via empirical equations. But since the transferred shock wave pressure is directly related to the element size of the Eulerian and Acoustic domain, it has been assumed that comparing the obtained shock wave pressure values based on the numerical analysis and the empirical formulas would be helpful to understand how close the numerical results to the empirical results. Based on the explicit dynamic analysis mentioned above, the maximum element sizes required to obtain results consistent with the reference test results were defined for TNT, the fluid structure surrounding the TNT, and the target plate in CEL analysis. To transfer the correct pressure value to the plate, different mesh sizes were examined within a certain system until the maximum fluid mesh size was obtained, and suggestions were made about how these mesh sizes should be defined from the beginning of the analysis without a try and correct method. In addition, detailed information on TNT JWL equation parameters and Johnson-Cook material parameters was given, and variable-based uncertainty analyses were performed on these parameters. During the study, a rectangular high-tensile steel plate was modelled by the JohnsonCook plasticity model, and the Geers-Hunter TNT model was used for the explosive. As the result of the analysis, obtained values have been compared with the experimental results. In the ASC analysis, ASI3D8, 8-node quadratic elements were used for the acoustic domain. During CEL analysis, the three-dimensional, 8-node EC3D8R Eulerian elements were used. And the target plate has been modelled by the Johnson-Cook Plasticity model with S4R 4 node general purpose shell, reduced integration with hourglass control finite membrane strains for both ASC and CE analysis. Experimental results have been used to validate the assertion about the element sizes for the Acoustic and Euler domains. The same experimental results have also been used to validate the Lagrangian mesh size for the target plate. Based on the ASC and CEL analyses, it is understood that the same element sizes (8 mm) for the water domain give the most accurate results on the plate deformation and the shock wavexxxii pressure which was obtained by the empirical formulas. During the analysis, the experimental results that the Ramajeyathilagam carried out in the reference [80] were used to validate the proposed element sizes for both the water and plate domains. During the analysis, different element sizes were also used for the target plate. To acquire consistent results with the experimental results, ASC approach results were well converged with the 25 mm element size for the target plate. At the same time, the 21 mm element size for the target plate in CEL analysis resulted in the most accurate results in terms of the target plate deformation. In this study mesh independency analysis for the acoustic domain, Euler domain and the target plate were also carried out. As the fundamental approach to all types of finite element approach analysis (implicit, explicit, static structural, heat transfer, fluid flow, electromagnetic potential etc.), the first thing that has to be done is the mesh independency analysis. As can be followed from the following part of this study, at some steps of the analysis, plate deformation and the shock wave pressure stayed stable. Different element sizes and combinations were analysed and investigated during this study. And the final element sizes and combinations were decided based on the most consistent results. Since our main reference is deformed plate results as per the reference experiments, we set the element sizes for different domains in such a way as to comply with the test results. Based on the carried-out analysis and the above verifications, we proposed a mesh combination between the Euler and Lagrange mesh structures. In this proposition, when we know the mass of the explosive and the density, we can easily calculate the volume of the explosive. Assuming the explosive is cube-shaped, then it is straightforward to calculate the length of the cube's edge. We started the analysis by meshing the explosive and surrounding medium with the same element size as the cube's one of the three dimensions. And then, we divided the cube's dimensions into two, three, four and five equal lengths. The same element sizes have been used for the surrounding water domain according to the calculated element sizes with the explosive. When we used different element sizes for the water domain other than the TNT element size, obtained results did not converge with the experimental results. Based on the analysis, it was observed that when we divided the cube's length into four equal distance, the obtained results converged to the experimental results by almost 3%. To understand and decide the mesh independence, we divided the TNT volume by five equal lengths and we obtained the same results. We also used the same element size for the acoustic domain and analysis (ASC), and the obtained results were consistent with the CEL approach. As a result of the verifications mentioned here and sensitivity analyses, a mini submarine was modelled and analysed in fluid (Euler) using different shell and internal structure plate thicknesses against underwater explosions within the proposed mesh structure and empirical parameters. As mentioned above, these analyses were carried out by the CEL method.
Benzer Tezler
- Investigation of the turning performance of a surface combatant with urans
Bir su üstü savaş gemisinin dönme performansının urans kullanılarak incelenmesi
SÜLEYMAN DUMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- İki boyutlu yalpa hareketindeki hidrodinamik katsayıların interpolasyonlu parçacık hidrodinamiği yöntemi ile hesaplanması
Calculation of hydrodynamics coefficients for rolling in two dimension by particle hydrodynamics method
ONUR ÖLMEZ
Doktora
Türkçe
2016
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER GÖREN
- Imaging of perfectly conducting objects buried in a dielectric cylinder
Dielektrik silindir içine gömülü iletken cisimlerin görüntülenmesi
OĞUZ SEMERCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
- Passive control of wake from a circular cylinder with a splitter plate: viscous VIC simulation
Dairesel silindirden iz akışının ayırıcı levha ile pasif kontrolu: viskoz VIC benzeşimi
AYDIN MISIRLIOĞLU
- Coriolis tipi kütlesel debimetrelerde basınç kaybının modellenmesi
Modelling pressure loss of coriolis type flowmeter
ATA EFEKAN BOZKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU