Kompozit bir teknenin dip levha optimizasyonu
Bottom plate optimization of a composite boat
Yazar: RECEP TAYYİP KILIÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ERDEN YILDIZDAĞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates

Özet:
Gemi sanayinde üretim malzemeleri teknolojinin gelişmesine paralel yönde değişim göstermektedir. Eski çağlarda ağaç kütüklerinin birbirine bağlanması ile elde edilen sandallar zamanla yerlerini işlenmiş ahşaptan üretilmiş teknelere bırakmıştır. İnsanoğlu metalleri eritip şekil verebildiğinde ise demirden yapılma büyük ve dayanıklı gemiler üretilmeye başlanmıştır. Günümüz teknolojisinde ise demirden yapılan hantal gemilere alternatif olarak çok daha hafif benzer dayanımları gösteren kompozit tekneler üretilmektedir.
Kompozit iki veya daha fazla materyalin niteliklerinde değişim olmadan makro düzeyde bir araya gelmesi ile oluşan yapısal malzemedir. Gemi inşaatı sanayisinde polimer matrisli kompozitler kullanılır. Bu kompozitlerde reçine olarak en çok polyester, epoksi ve vinilester; lif olarak da en çok cam elyaf, karbon elyaf ve aramid elyaf kullanılır.
Diğer tekne türleri gibi kompozit tekneler de üretilirken belli standartlar ve kurallara tabi tutulur. 24 metre ve altı tekneler daha çok Uluslararası Standardizasyon Teşkilatı'nın (ISO) koyduğu kurallar çerçevesinde boyutlandırılır. Standartlar teknenin dip, borda, güverte gibi kısımlarındaki levhaların ve destek elemanlarının dayanması gereken yüklemeleri ampirik formüller yardımı ile hesaplanmasını sağlar. Yapısal tasarımı yapan mühendis, hesaplanan yüklemeye dayanması şartı ile yapısal elemanların ölçülerini, adetlerini ve konumlarını belirlemede özgürdür. Yapısal elemanlar boyutlandırılırken müşterinin isterileri, malzemelerin standart ölçülerde üretilebilirliği ve en önemlisi üretim maliyetleri göz önüne alınır. Üretim maliyetlerini düşürmek için farklı optimizasyon çalışmaları yapılmaktadır.
Bu çalışmada kompozit bir teknenin dip levhası üretim maliyetlerini düşürme amacıyla optimize edilmiştir. Literatürde daha önce kullanılan ölçülerde bir levha ve levhayı destekleyen iki adet şapka tipi destek elemanı ele alınmıştır. Dip levhasına etki eden kuvvetler Uluslararası Standardizasyon Teşkilatı'nın 'ISO 12215-5:2019' bölümüne göre belirlenmiştir. Belirtilen bölümdeki kurallar doğrultusunda tekne ve levha ölçüleri kullanılarak; tasarım kategori faktörü (kDC), dinamik yük faktörü (kDYN), boyuna basınç dağıtım faktörü (kL), alan basıncı azaltma faktörü (kAR) katsayıları hesaplanmış bu katsayılar yardımıyla levhaya etki eden basınç kuvveti bulunmuştur. 
Levha Ansys Mechanical APDL 2021 R1 programında modellenmiş ve analiz edilmiştir. 4 mm'lik 5 katmandan üretileceği düşünülen levhanın her bir katmanı birbirinden bağımsız oryantasyon açısına sahiptir. Yapılan optimizasyon çalışmasında ilk olarak en uygun oryantasyon dizilimi aranmıştır. En uygun dizilim kullanılarak daha sonra ; levha genişliği ve destek eleman yüksekliği optimizasyonu, katman kalınlığı optimizasyonu, sabit hacimde levha genişliği ve katman kalınlığı optimizasyonu yapılmıştır.
Yapılan çalışmaları neticesinde ilave bir güçlendirmeye gerek kalmadan sadece levhada açı ve katman optimizasyonu yapılarak çok daha az malzeme ile yeterli dayanımın sağlanabileceği kanıtlanmıştır.

Abstract:
Composite is a structural material formed by the combination of two or more materials at a macro level without dissolving them. There are two phases in the composite. These are the reinforcement and matrix phases. The reinforcement phase can be in the form of fibers, particles and flakes. On the other hand, the matrix phase has a continuous structure surrounding the reinforcement phase.
Composite materials are in three classes according to the matrix type: metal matrix, ceramic matrix and polymer matrix.
Polymer matrix materials have high specific strength and high specific stress coefficients. The concepts of specific strength and specific stress express the ratio of the stress and strength values of the material to the density of the material. By using polymer matrix composites, the same strength can be achieved with a much lighter material.
Products obtained from polymer matrix composites can be produced by different methods. The most commonly used methods in production are: Hand Lay-up, Vacuum Infusion, Filament Winding, Resin Transfer Molding (RTM), Autoclave (Autoclave).
When it comes to composite materials in the shipbuilding industry, polymer matrix composites come to mind. The three most common resins used in the industry are polyester, epoxy and vinylester. The most common fibers used in the industry are glass fiber and carbon fiber. The most commonly used production methods in the shipbuilding industry are hand lay-up and vacuum infusion.
Composite materials began to be used in maritime applications after the second world war. Numerous academic studies have been conducted on the use of composite materials in the maritime field, which attract a lot of attention thanks to their low densities, high mechanical properties and high corrosion resistance.
Within the scope of this study, a glass fiber reinforced composite boat with a length of 24 meters and a width of 7 meters, which will be used in the Sea of Marmara, is discussed. The draft of the boat is 1.34 meters, the freeboard is 2 meters and the block coefficient is 0.39. . While determining the hull dimensions, 24 meter boats with similar characteristics were examined and average values were accepted according to them.
In this study, a plate belonging to the boat was examined. It is assumed that the 1000 mm long plate located at the bottom in the middle section of the ship is between two transverse bulkheads. The plate is supported by two hat type stiffeners extending in the longitudinal direction.
Boats to be produced in the shipbuilding industry are manufactured in accordance with the rules and standards determined by the classification societies. In addition to the Loyd rules, the International Organization for Standardization (ISO) rules can also be used for boats 24 meters and below. In this study, the section 'ISO 12215-5:2019' was used.
While finding the force acting on the plate, ship values and plate dimensions were used. Based on these values, pressure factors (Design Category Factor (kDC), Dynamic Load Factor (kDYN), Longitudinal Pressure Distribution Factor (kL), Area Pressure Reduction Factor (kAR)) were found. With the help of these factors, the pressure force acting on the plate was found to be 114 KPa.
It is assumed that the plate is produced with 5 layers of fiber, each of which is 4 mm. The fibers in each layer are arranged in one direction. This sequence was initially accepted as 90/45/0/-45/90. The specified angles represent the angles between the x-axis and the fiber direction. The y-direction of the axis set extends along the ship, the x-direction is along the ship's width, and the z-direction is along the ship's height.
The plate mesh structure has 7700 elements. Where the plate and support elements are attached to the bulkheads, simple support is assumed. No boundary condition is accepted for the long side of the plate.
Analyzes and models are made through the Ansys Mechanical APDL 2021 R1 program. Tsai-Wu criterion, which is one of the error estimation criteria developed for composite materials, was taken into consideration in the analysis. The Tsai-Wu criterion greater than 1 indicates that the material will not withstand the applied load.
Stress and, accordingly, the criterion value are concentrated in different parts of the plate. Since the most dangerous place is the place with the highest criterion value, the maximum Tasi-Wu criterion value is taken into account when optimizing. If the maximum value is too small, it means that the plate is stronger than necessary and more material is used than needed. The maximum Tsai-Wu criterion value of the panel to be obtained at the end of the optimization is required to be below 0.9 and close to this value, taking into account the safety factor.
Optimizations are made through the Ansys Workbench 2021 R1 program. First, the Mechanical APDL code is loaded, and then the input and output parameters to be optimized are determined. Then, the optimization criteria are determined and the final result is obtained.
In the optimization, the most suitable orientation angles were sought first. As a result of a total of 7795 different analyzes made in 4 different parts, it was found that the most appropriate orientation was 90/90/90/0/0, being the same on the plate and support elements. Then, three different optimizations were made using the most suitable orientation. These;
• Plate Width and Support Element Height Optimization
• Layer Thickness Optimization
• Optimization of Plate Width and Layer Thickness at Constant Volume
As a result of the study, the following conclusions were reached in the examined structure:
• Intermediate angle values in orientation for this plate reduce the strength of the structure. The most suitable angles are those that make 0 and 90 degrees with the X axis.
• The order in which the different orientation angles are arranged is important for the strength of the structure.
• More resistant structures can be obtained by changing the orientation angles and the layer order. In this way, much cheaper production can be realized with only orientation optimization without a separate process.