Buz çarpışması etkisi altındaki gemi yapısının dinamik analizi
Dynamic analysis of a ship structure subjected to ice collision
Yazar: NEDIR YMAMOV
Danışman: DOÇ. DR. İSMAİL BAYER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Bu tez, model ölçeği buz ve doğal deniz buzunun mekanik özelliklerini bir şekilde karşılaştırarak, bu iki farklı buz türünün yapısal farklılıklarının mekanik davranışlar üzerindeki etkilerini detaylı bir şekilde incelemektedir. Çalışmanın başlangıcında, buz tankında üretilen model ölçeği buzun elastik gerilme modülü, basınç mukavemeti ve çekme mukavemeti ölçülmüş ve bu veriler LS-DYNA yazılımı kullanılarak sayısal simülasyonlar için temel veri olarak işlenmiştir.

Deniz buzunun daha gerçekçi modellemesini sağlamak amacıyla hava kabarcıkları ve yoğun tuz paketleri içeren karmaşık yapıda random deniz buzu oluşturulmuştur. Bu yapı, kutup bölgelerindeki yüksek tuz konsantrasyonuna sahip gerçek deniz buzunu yansıtacak şekilde tasarlanmıştır. Python dili kullanılarak geliştirilen bir kod, buz tanecikleri ve hava boşluklarını rastgele dağıtarak, modelin gerçek deniz buzuna benzerliğini artırmaktadır. LS-DYNA yazılımı aracılığıyla yapılan sayısal analizler, random deniz buzunun mekanik tepkisini incelemekte ve elde edilen sonuçlar, tatlı su buzları için yapılan deneylerle karşılaştırılarak valide edilmektedir.

Araştırmanın bulguları, model ölçeği buzunun basınç altında nasıl davrandığını ve bu davranışların deniz buzunun davranışlarından nasıl farklılaştığını göstermektedir. Özellikle, deniz buzu modelinin yüksek tuz içeriği nedeniyle daha düşük elastik modüle sahip olduğu ve bu durumun buzun kırılma davranışını önemli ölçüde etkilediği tespit edilmiştir. Çalışmada kullanılan malzeme modelleri arasında Brittle Damage ve Mohr Coulomb malzeme modelleri bulunmaktadır. Çelik yapı olarak, 160 metre uzunluğunda bir kuru yük gemisinin bir borda parçası kullanılarak, Türk Loydu standartlarına göre modellenmiştir. Bu modelleme, gemi yapılarına etki eden buz yüklerinin daha iyi anlaşılmasını ve bu tür yapısal elemanların tasarımında dikkate alınması gereken kritik faktörlerin belirlenmesini
sağlamıştır.

Bu tez, model ölçeği buz ve doğal deniz buzunun mekanik özelliklerini detaylı bir şekilde karşılaştırmakta ve LS-DYNA gibi gelişmiş sayısal simülasyon araçlarını kullanarak bu tür malzemelerin davranışlarını anlamada önemli bir adım olarak görülmektedir. Elde edilen bilgiler, arktik bölge ve deniz yapılarının tasarımı gibi alanlarda uygulamalara doğrudan katkı sağlayacak ve ileride buz yapılarının daha iyi anlaşılması ve modelleme tekniklerinin geliştirilmesi için temel oluşturacaktır.

Abstract:
This thesis comprehensively compares the mechanical properties of model scale ice and natural sea ice, examining in detail how the structural differences between these two types of ice affect their mechanical behaviors. At the beginning of the study, the basic mechanical properties of the model scale ice produced in an ice tank—elastic modulus, compressive strength, and tensile strength—were measured and processed as fundamental data for numerical simulations using LS-DYNA software.

To achieve a more realistic modeling of sea ice, a complex structure of random sea ice containing air bubbles and dense salt pockets was created. This structure was designed to reflect the properties of real sea ice found in polar regions with high salt concentrations. A code developed in Python was used to randomly distribute ice grains and air voids, increasing the similarity of the model to real sea ice. Numerical analyses conducted through LS-DYNA software examined the mechanical response of the random sea ice, and the obtained results were validated by comparing them with experiments conducted on freshwater ice.

The findings of the research demonstrate how model scale ice behaves under pressure and how these behaviors differ from those of sea ice. Notably, the sea ice model was found to have a lower elastic modulus due to its high salt content, significantly affecting its fracture behavior. The material models used in the study include the Brittle Damage and Mohr Coulomb models. For the steel structure, a section of a 160 [m] dry cargo ship was used, modeled according to Turkish Lloyd standards. This modeling helped to better understand the ice loads affecting ship structures and identify critical factors to consider in the design of such structural elements.

This thesis provides a detailed comparison of the mechanical properties of model scale ice and natural sea ice and is considered an important step in understanding the behaviors of these materials using advanced numerical simulation tools like LSDYNA. The information obtained will directly contribute to applications in areas such as Arctic region and marine structure design, laying the groundwork for better understanding and developing modeling techniques for ice structures in the future.