Sualtı patlamalarının saha ölçümleri ve sayısal modellemelerle incelenerek civardaki deniz araçlarında hasar tahminleri yapılması
Investigation of underwater explosions by field measurements and numerical modelings to estimate damages on nearby platforms
Yazar: ALPASLAN TATLISULUOĞLU
Danışman: PROF. DR. SERDAR BEJİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Deniz araçları = Naval vessels ; Hasar tahmini = Demage estimation ; Patlama = Explosion ; Sayısal modelleme = Numerical modelling ; Su altı = Underwater

Özet:
Savaş gemilerinin harekât sahasında bekası için sualtı tehditlerinin analiz edilmesi hayati öneme sahiptir. Söz konusu tehditler arasında sualtı silahları en önemli husus olarak dikkat çekmektedir. Özellikle İkinci Dünya Savaşı ile birlikte bilhassa denizaltı harbi teknolojisi hızla ilerlemiş ve çok düşük maliyetler ile üretilen sualtı silahları savaş gemilerinin batmasına veya büyük hasarlar verdirerek harekât sahasından çekilmelerine sebep olmuştur. Gelişen teknoloji ile birlikte stratejik önemi bulunan sualtı silahlarının etkilerinin analiz edilmesi birçok yönden gereklilik arz etmektedir. Bu tezde, öncelikle kontrollü bir sualtı patlatmasına ilişkin ölçüm sonuçları verilmekte, elde edilen sonuçlar analiz edilmekte ve ardından da söz konusu sualtı silahlarının etkileri bağlamında sualtı patlaması ile ortaya çıkan şok basıncının gemi benzeri bir yapıya etkileri incelenmektedir. 
Sualtı patlamaları, havada meydana gelen patlamalara benzer özelliklerde şok dalgaları oluşturur. Suyun elastik özelliklerinden dolayı sualtı şok dalgalarının süreleri daha kısadır ancak tepe basınçları oldukça büyüktür. Sualtı şok dalgasındaki enerji katedilen mesafe ile hızla azalır (nerdeyse logaritmik olarak). Bu nedenle, sualtı patlamalarından kaynaklanan şok dalgaları, havadaki patlamalar tarafından oluşturulanlarla aynı düzeyde hasara neden olmaz. Öte yandan, genel olarak gemilerin, özellikle savaş gemileri için sualtı patlamalarına karşı mukavemet ve stabilitesinin değerlendirilmesi oldukça önemlidir. Bu nedenle şok dalgalarının ölçülmesi ve analiz edilmesi hayati öneme sahiptir. 
Bu çalışmanın ilk kısmında denizde kontrollü bir sualtı patlamasının patlama basıncı ölçümleri yapılmıştır. Yirmi beş kg-TNT eşdeğeri bir patlayıcı infilak ettirilmiş ve patlama basınçları, sualtı ortamında rezonanssız yüksek voltaj çıkışında çalışan sekiz farklı yüksek performanslı basınç sensörü ile kaydedilmiştir. Kaydedilen tepe basınç değerleri, literatürde kabul edilen ampirik sualtı patlaması (UNDEX) basınç formülü ile kıyaslanmıştır. Söz konusu formülün sabitleri, ölçülen verilere en iyi şekilde uyması için iki farklı biçimde en küçük kareler yöntemi kullanılarak yeniden belirlenmiştir. Yeni belirlenen sabitlerin literatürde kabul görmüş formülün katsayıları ile karşılaştırıldığında nispeten küçük farklar tespit edilmiştir. 
Savaş gemilerinin stabilitesi, sistem ve alt sistemlerinin düzgün çalışmasını doğrudan tehdit eden sualtı patlamaları, hasar tahmini açısından ele alınmalıdır. Bu nedenle bu çalışmanın ikinci kısmında, LS-DYNA'nın Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) metodu/sayısal tekniği, gemi benzeri bir yapının yapısal bileşenleri üzerindeki şok etkilerini analiz etmek için kullanılmaktadır. Hesaplanan maksimum kalıcı deformasyonlar, doğrusal bir orantılılık faktörü elde etmek için karşılık gelen Omurga Şok Faktörü (OSF-Keel Shock Factor (KSF)) değerleriyle eşleştirilmektedir. Formülün tatmin edici tahminleri, şok dalgalarına maruz kalan gemi benzeri yapılara verilen hasarın büyüklüğünün bir ölçüsü olarak KSF'nin kullanılmasının oldukça kabul edilebilir olduğunu göstermektedir. Bu kasamda; bir gemi kirişini temsil eden barç benzeri bir yapı üzerindeki 3 boyutlu bir sualtı patlamasının etkileri, ALE yaklaşımı ile LS-DYNA yazılımı kullanılarak sayısal simülasyonlar yoluyla araştırılmıştır. KSF'deki değişimlerin etkilerini araştırmak için üç farklı simülasyon gerçekleştirilmiştir. KSF ≈ 1 için tasarlanan ikinci simülasyon, genel kullanıma açık olmasa da saha ölçümlerinin mevcut olduğu duruma benzer bir durumu temsil etmektedir. Hesaplanan maksimum kalıcı deformasyonların ölçülenlere yakınlığı, sayısal simülasyonların güvenilirliğinin bir göstergesidir. Ayrıca, simülasyon verilerinin kullanılmasıyla, burada ele alınan yapı için maksimum deformasyonlar ve karşılık gelen KSF değerleri arasında doğrusal bir ilişki kurulmuştur. Kalıcı deformasyonlar için iyi bir tahmin değeri veren bu basit ilişki, farklı yapısal özelliklere sahip gemi benzeri formlar için daha gelişmiş ve daha genel formüllerin öncüsü olarak görülebilir. Son olarak, hesaplanan başlangıç hızları (kick of velocity) göz önüne alındığında platformda, KSF ≈ 1 olduğunda ciddi hasarlar, KSF ≥ 1 olduğunda ise ölümcül hasarlar oluşacağı değerlendirilmektedir.

Abstract:
Analyzing underwater threats is of vital importance for the survival of warships on the operation field. Among the threats in question, underwater weapons draw attention as the most important ones. Especially during the Second World War the submarine warfare technology advanced rapidly and the underwater weapons produced at low costs caused the warships to sink or withdraw from the operation area due to damages sustained. As always, the advancing technology makes it necessary to analyze the effects of strategically important underwater weapons from every possible aspect. In this thesis, field measurements of a controlled underwater detonation are presented and analysed first and then the effects of the shock pressure caused by an underwater explosion on a ship-like structure are investigated.
Air and underwater explosion blast waves have been of great interest to the military. An explosion created by a mine for instance produces a pressure pulse or shock wave. When a shock wave impacts a structural surface, it usually causes severe structural and equipment damage besides personnel casulties. 
Underwater explosions create shock waves with similar characteristics to explosions in air. Due to the elastic properties of water, underwater shock waves have shorter durations but their peak pressures are quite large. The energy in an underwater shock wave decreases rapidly (almost logarithmically) with distance traveled. Therefore, unlike airborne shock waves, underwater explosions do not maintain their strong damaging capabilities at longer distances. Nevertheless, the assessment of the strength and stability of ships in general against underwater explosions is very important, especially for warships, by analyzing the impact of shock waves on structures in water.
In the first part of this study, burst pressure measurements of a controlled underwater explosion at sea were made. A twenty-five kg-TNT equivalent explosive was detonated and detonation pressures were recorded with eight different high-performance pressure sensors operating at a non-resonant high voltage output in underwater environments. The recorded peak pressure values were compared with the empirical underwater explosion (UNDEX) pressure formula accepted in the literature. The constants of the formula in question are redetermined using the least squares method in two different ways to best fit the measured data. The newly determined constants are compared with the coefficients of the formula accepted in the literature and found to be quite small.
On the other hand, between measurements made in the laboratory and measurements made in open sea conditions, there may be differences. It is thought that the reason of differences of experiments is the laboratory conditions which are carried out in relatively small and confined areas. 
Naval institutions usually provide guidelines and specifications for shock testing and hardening of shipboard equipment. Unfortunately, shock trials also need extensive planning and coordination Furthermore, an enviromental lawsuit can delay shock trials. With recent computer hardware technology advances and increased research in numerical simulation of partial differatial equations, finite element modeling and simulation provides a viable, cost effective alternative to live fire testing under realistic combat conditions. These software packages have enabled researchers to produce detailed finite element models in a timely manner. Sufficient fidelity mesh modeling is required to produce acceptable results.
Underwater explosions that directly threaten the stability of warships and the proper functioning of their systems and subsystems should be considered in terms of damage estimation. Thus, in the second part of the study LS-DYNA's Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method/numerical technique is employed to analyze shock effects on a ship-like structure. The calculated maximum permanent deformations are matched with the corresponding Keel Shock Factor (KSF) values to obtain a linear proportionality factor. Satisfactory estimates of the formula show that it is quite acceptable to use KSF as a measure of the magnitude of damage to ship-like structures exposed to shock waves. In this frame, investigations of the effects of a 3D underwater explosion on a barge-like structure representing a ship beam by the use of using LS-DYNA software for three different cases reveal that the second simulation designed for KSF ≈ 1 actually represents the critical case of severe and dangerous damage situation. Furthermore, the closeness of the calculated maximum permanent deformations to the measured ones is an indication of the reliability of the numerical simulations. Using the simulation data, a linear relationship has been established between the maximum deformations and the corresponding KSF values for the particular structure discussed here. This simple relationship, which provides a good first estimate of permanent deformations, can be seen as a precursor to better established and more general formulas for ship-like forms with different structural properties. Work in this direction continues. Finally, considering the calculated initial velocity (kick of velocity), it is possible to conclude that serious damage will occur to a platform when KSF ≈ 1 and fatal damage when KSF ≥ 1.
In this study, evaluations were made on the damages caused by the shock wave that emerged with the underwater explosion on the nearby surface platforms. However, the effects of the gas bubble formed by the underwater explosion have not been studied. In this context, examining the hydrodynamic effects of the gas bubble formed by the underwater explosion is a suitable subject for future studies.
In addition, the fact that unmanned submarines and autonomous underwater vehicles will be used for offensive purposes in the near future will make it necessary to include autonomous underwater vehicles that are lighter, less costly, require less manpower and will be used more effectively in anti-submarine warfare concept. In this context, it is considered that more than one autonomous underwater vehicle can conduct underwater listening within the scope of anti-submarine warfare in an area established with a determined depth and route, and also provide deterrence by detonating it near or on the target with explosives of various weights to be deployed on them. These issues will also require examining the effects of explosions that will occur at more than one point underwater.
In addition, the analysis of structure-fluid interaction is very important in underwater explosion applications. At the same time as examining the behavior of a ship or platform exposed to the shock wave generated by an underwater explosion, the interaction of the structure with the fluid should also be examined. The fluid around a shock-loaded structure moves rapidly, thus creating additional effects on the structure. In this context, studies on the solid-fluid interaction model, including the effects of cavitation, are considered as studies that should be considered in the future.