Simülasyon yönetimli tasarım metodu ile bir tekne formunun parametrik tasarımı ve optimizasyonu
Parametric design and optimization of a hull form by means of simulation based design method
Yazar: HASAN TİMURLEK
Danışman: DOÇ. DR. BEKİR ŞENER
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, 2021
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Günümüzde yapılan tasarımlar sıkı bir şekilde geçmiş tecrübelere, referans çalışmalara bağlıdır. Bilgisayar destekli tasarım (BDT) yöntemleriyle dizayn edilen teknelerin hidrodinamik performansı hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemleri ile nümerik olarak kontrol edilmektedir. Formun hidrodinamik performansını iyileştirmek için yapılacak olan çalışmaların ne kadar verimli olacağı, ne kadar zaman alacağı tamamen tasarımcının geçmiş tecrübelerine ve sezgilerine dayanmaktadır.
Son zamanlarda, tasarım sürecini hızlandırmak ve verimini artırmak için BDT ve HAD yöntemlerinin eş zamanlı ve birbirlerini besleyecek şekilde çalışması üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Çalışmaların sonucunda BDT ve HAD yöntemlerinin efektif entegrasyonu için bir metodoloji oluşturulmuştur: Simülasyon Yönetimli Tasarım (SYT).
Bu tezin amacı, Simülasyon Yönetimli Tasarım yöntemini temel alarak yeni nesil form tasarımı, analiz, varyasyon ve optimizasyon yaklaşımlarının tekne form optimizasyonu için bir arada ve otomatikleştirilmiş bir şekilde kullanıldığı metodoloji sunmaktır. Sunulan metodoloji, yüksek hızlı R/V Athena (araştırma teknesi) teknesinin 1/8.25 ölçekli modeli olan Model 5365 formu üzerinde uygulanmıştır. Bunun için öncelikle Model 5365 formu tam parametrik olarak modellenecektir. Benzer sınıflardaki tekneler incelenmiş, sistematik varyasyon çalışmasında kullanılacak olan global parametrelerin sınırları belirlenmiştir. Devamında bu global parametrelerin sistematik olarak değiştirilmesi 30 adet form oluşturulmuş, oluşturulan formların direnç ve denizcilik analizleri gerçekleştirilip stabilite kontrolleri yapılmıştır. Tasarım değişkenlerinin dirence ve denizciliğe olan etkisi incelendikten sonra, formlar çeşitli ağırlıklara sahip senaryolar ile değerlendirilmiştir. Bu formların içerisinden seçilen bir form üzerinde direnç ve denizcilik performansları bakımından çok-amaçlı optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir.
Çok-amaçlı optimizasyon aşamasında, sistematik varyasyon aşamasındakinin aksine, tasarım değişkenleri olarak lokal parametreler kullanılmıştır. Bir genetik algoritma yardımıyla 72 adet form oluşturulmuş, oluşturulan formların direnç ve denizcilik analizleri gerçekleştirilip stabilite kontrolleri yapılmıştır. Bastırılmamış en iyi çözümler, amaç fonksiyonlarının çeşitli ağırlıklara sahip olduğu senaryolar ile değerlendirilmiş, her bir senaryo için optimum tekne formu önerilmiştir. Senaryolarda ortaya çıkan optimum formlar, ana form ile karşılaştırılmıştır.
Yapılan çok-amaçlı optimizasyon çalışmasına ek olarak, gemi hidrodinamiği gibi ister çatışmalarının bulunduğu problemlerde çok-amaçlı optimizasyon yöntemlerinin kullanımının önemini vurgulamak amacıyla sadece toplam direnç kuvvetinin dikkate alındığı ve genetik algoritma yardımıyla 72 adet formun oluşturulduğu tek-amaçlı optimizasyon çalışması gerçekleştirilecek, sonuçlar yorumlanacaktır.
Tez çalışmasında önerilen ve bir uygulamasının yapıldığı Simülasyon Yönetimli Tasarım (SYT) metodolojisi kapsamında, BDT ve HAD yöntemleri CAESES yazılımı çatısı altında toplanmış; entegre ve otomatik bir sistem halinde kullanılmıştır.

Abstract:
Today's designs are strictly dependent on past experiences and reference studies. The hydrodynamic performance of boats designed with Computer Aided Design (CAD) methods is thereafter numerically controlled by Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The efficiency of study to improve the hydrodynamic performance of the form and how long it will take depends entirely on the past experiences and intuitions of the designer.
Recently, researchers have carried out studies on simultaneous interoperability of CAD and CFD methods in order to accelerate the design process and increase its efficiency. As a result of the studies, a methodology was created for effective integration of CAD and CFD methods: Simulation Based Design (SBD).
The aim of this thesis is to present a methodology in which new generation form design, analysis, variation and optimization approaches are used together and in an automated manner for hull form optimization, based on the Simulation Based Design (SBD) method. The presented methodology has been applied on the Model 5365 form, a 1/8.25 scale model of the transom-stern, high speed R/V Athena (research vessel). For this purpose, Model 5365 form will be modeled as fully parametric. Similar vessels were examined, and the limits of the global parameters to be used in the systematic variation study were determined. Subsequently, these global parameters were changed systematically, 30 forms were created, resistance and seakeeping analysis of the created forms were performed and stability checks were made. After examining the effect of design variables on resistance and seakeeping, forms were evaluated with scenarios of various weights. A multi-objective optimization study was carried out in terms of resistance and seakeeping performances on a form selected among these forms.
In the multi-objective optimization stage, unlike in the systematic variation stage, local parameters were used as design variables. With the aid of a genetic algorithm, 72 forms were created, resistance and seakeeping analysis of the created forms were performed and stability checks were made. The non-dominated best solutions are evaluated with scenarios where objective functions have various weights, and optimum hull form is proposed for each scenario. The optimum forms were compared with the main form.
In addition to the multi-objective optimization study, a single-objective optimization study will be carried out in which only the total resistance force is taken into account. 72 forms are created with the help of genetic algorithm in order to understand the importance of the use of multi-objective optimization methods in problems that have requirement conflicts such as ship hydrodynamics.
Within the scope of the Simulation Based Design (SBD) methodology suggested in the thesis study and in which an application was made, the CAD and CFD methods were gathered under CAESES software; used as an integrated and automated system.