Topoloji optimizasyonu yöntemi ile ağırlığı azaltılmış, yeni bir araç taşıyıcı yüksek konteyner kavramsal tasarımı
The conceptual design of a high container weight reduced by topology optimisation method
Yazar: ALİCAN KILIÇASLAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. YALÇIN ÜNSAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
İnsanların yerleşik hayata geçmesi ile birlikte, ham madde ve gıda, yakacak ve çağına göre teknolojik aletlerin farklı topluluklara transferi başlamıştır. Teknolojinin gelişmesiyle karayolunda hayvanla ile taşınan mallar, deniz ve nehirlerde gemiler ile akabinde demiryolu ile ve ilerleyen zamanda havayolu ile taşınmaya başlanmıştır. Bu sayede tarih boyunca yük taşımacılığı medeniyetleri birbirlerine yaklaştırmıştır. 
Sanayi devrimi ile birlikte gelişen sanayi bölgelerine yakın bölgelerde gelişmiş limanlar oluşmuştur. Gelişen gemiler ve limanlar yüklerin daha hızlı, güvenli ve daha ucuz taşınmasını sağlamıştır. Günümüzde ithalat ve ihracat hacminin bu seviyeye gelmesi ile birlikte, taşımacılığın önemi artmıştır. İlk üreticiden son tüketiciye kadar bütün süreçleri kapsayan bütünleşik bir yapıya dönüşmüştür. Taşımacılık, hava yolu karayolu, demiryolu ve denizyolu olarak dört ana başlık altında toplanırsa, en büyük tonajdaki yüklerin bir seferde taşınması kolaylığı sebebiyle denizyolu taşımacılığı, uluslararası ticarette hala en büyük paya sahiptir.
Yakın geçmişte yaşanan ekonomik dar boğazlar, gelişen teknolojiye rağmen, taşımacılığın diğer sektörlerde olduğu gibi ekonomi odaklı olmasını zorunlu kılmıştır. Maliyetlerin azaltılması ve karlılığın arttırılması hedeflenmiştir. Sefer sürelerinin azaltılması ve yük hacminin arttırılması için yeni tip gemiler, limanlama ve elleçleme sürelerinin kısaltılması için teçhizatların kapasitelerinin arttırılması gibi gelişmeler yaşanmıştır.
Endüstriyel toplum kavramının gelişmesi ile birlikte, ülkeler kendi gelişmişliklerini ve refah seviyelerini sahip oldukları endüstrileşme oranı ile ifade etmişlerdir. Otomotiv endüstrisi de gelimiş bir toplumun yapı taşıdır. Bir toplumun endüsrtileşmiş olabilmesi için kendine ait bir otomotiv endüstrisinin olması gerekmektedir. Gelişmiş bir otomotiv endütrisi de beraberinde gelişmiş bir otomotiv taşımacılığını getirmiştir.

Otomotiv endüstrisi, ülkemiz ölçeğinde değerlendirildiğinde, dünya otomotiv üretiminde önemli bir paya sahiptir. Türkiye' de farklı yabancı kaynaklı farklı marka lisansları altında üretim yapılmaktatır. Otomobil, kamyon, kamyonet, otobüs, minibüs, midibüs ve traktör üretimi yapılmaktadır. Üretim yapan tesislerin topma kapasitesi senede iki milyon araça yakındır. Üretilen araçların büyük bir kısmı ihracat odaklıdır. Sadece 2016 yılında 1.5 milyon araç üretilmiştir ve 1 milyon adedi ihraç edilmiştir. Dış Pazar odaklı çalışan sektör bu sebeple Türk ekonomisi isin lokomotif sektör tanımına uygun hale gelmiştir.
Ancak son yıllarda artan rekabet ve yaşanan ekonomik krizler otomotiv endüstrisi ve paralelindeki bütün sektörleri maliyet azaltma yönünde davranmaya itmiştir. Maliyet azaltmanın en kolay yolu, harcanan zamanı azaltmak ya da kullanılan malzemeyi minimum seviyeye indirmektir. Başkla bir deyişle, verimliliği maksimum noktaya getirmektir. Bu noktada geliştirilen optimizasyon yötemleri devreye girmektedir. 
Bu tez kapsamında, minimum malzeme kullanılması amaç fonksiyonuna sahip topoloji optimizasyonu yöntemi kullanılmıştır. Topoloji optimizasyonu, tasarım sürecinin başında, optimum malzeme dağılımını sağlamak ve yük yollarının belirlenmesi amacıyla kullanılmaktadır. Optimizasyonda amaç, yer değiştirme, direngenlik, doğal frekans gibi kısıtları sağlayarak optimum tasarımın elde edilmesidir. Optimizasyon problemlerinin amacı amaç fonksiyonunu maksimize ya da minimize etmektir. Ürün fiyatını minimize etmek ya da direngenlik sonuçlarını maksimize etmek örnek olarak verilebilir.
Türkiye' de Mayıs 2018 itibariyle Türk otomotiv üretim tesislerinde üretilen binek snıfı otomobiller incelenmiştir. İnceleme sonucunda görüldüğü üzere, üretilen araçlar B ve C segmenti sınıfında ve boyut ve ağırlıkları segment ölçüleri dâhilindedir. Hem Türkiye hem de küresel otomotiv lojistiği düşünüldüğünde, üretilen ve ihraç edilen binek otomobillerin PCC gemileri dışında, bir intermodal taşımacık yöntemi olan konteyner ile taşınması amaçlanmıştır.
Konteyner ile denizyolu otomobil lojistiğine dair çalışmalar incelendiğinde, otomobil taşımacılığı amacıyla kullanılan konteynerlerin büyük bir bölümünün intermodal taşımacılığa uygun olmadığı görülmüştür. Kullanılan konteynerler boyut ve ağırlıkları gereği sadece demiryolu ya da karayolu taşımacılığna uygundur. Denizyolunda otomobil taşımak amacıyla geliştirilen konteynerler ise, genellikle 40 feet ve 20 feet genel yük konteynerlerine otomobil taşıyıcı askı aparatları yerleştirilmesi ile elde edilmişlerdir. Sonradan gelen taşıma ve askı aparatlarıyla boş bir kontynerin ağırlığı daha da artmaktadır. Bu sebeple, denizyolu otomotiv lojistiğinde hâlihazırda kullanılan araç taşıyıcı konteynerlerin kullanımı maliyetleri arttırmaktadır.
Bütün bu sebeplerden ötürü, tez kapsamında Türkiye' de üretilen otomobil boyut ve ağırlıklarına uygun, ISO yük konteynerleri ölçülerinde ve bu sebeple intermodal taşımacılık için uygun 40 feet uzunluğunda, 4 adet otomobile kadar taşıma kapasiteli, yapısal açıdan Türk Loydu kurallarına göre tasarlanmış bir yüksek (high-cube) konteyneri kavramsal tasarımı yapılmıştır. 
Kavramsal tasarm öncesi, Türk Loydu Cilt D, Kısım 55, Yük Konteynerlerinin Yapımı, Onarımı ve Testlerine ait Esaslar başlıklı kural kitapçığında belirtilen esaslara göre yapısal açıdan belirtilen hedef değerler kısıt olarak kullanılarak topoloji optimizasyonu gerçekleştirilmiştir.  Amaç olarak minimum kütle ise kısıtların sağlanması tanımlanmıştır.
Tamamlannan kavramsal tasarım için sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. İlgili Türk Loydu kural kitapçığında belirtilen gerekli yapıal analizler yapılmıştır. Analiz sonuçlarına göre, bulunan yer değiştirme ve gerilme değerleri hedefler dâhilindedir. Kavramsal tasarım araç taşıyıcı yüksek konteynerin, denizyolu taşımacılığı ile dört adet otomobili emniyetli bir şekildetaşıması için uygun olduğu görülmektedir. Ayrıca tez sonunda yapılan kavramsal tasarım, sıradan bir genel yük konteynerine göre % 30 daha hafiftir.

Abstract:
With the passing of humans through the settled past, the transfer of raw materials, food, fuel, and technology to the different communities has begun. With the development of technology, goods transported by animal on the road began to be transported by ships in the sea and rivers, then by railway, and then by airway. Throughout history, freight transport has brought civilizations closer together.
With the industrial revolution, developed ports were formed in regions close to developing industrial regions. Developed vessels and ports have made it possible to move freight faster, safer and cheaper. Nowadays, with the import and export volume reaching this level, the importance of transportation has increased. It has evolved into an integrated structure that covers all processes from the first producer to the last consumer. If transportation is grouped under four main headings as airway road, railway and sea road, maritime transport still holds the largest share in international trade, as it is easy to transport loads in the largest tonnage at a time.
In recent years, economic cirises have been forced to be economy-focused, as in other sectors, despite the technological advances. It is aimed to reduce costs and increase profitability. New types of vessels have been developed to increase the load capacity and to reduce the duration of flights, such as increasing the capacity of the equipment in order to shorten porting and handling times.
Along with the development of the concept of industrial society, countries have expressed their own development and prosperity levels with the rate of industrialization they have. The automotive industry is also a building block of a developed society. In order for the one society to become industrialized, it must have its own automotive industry. An advanced automotive industry has brought together an advanced automotive transport system.
The automotive industry has an important share in world automotive production when it is evaluated on the scale of our country. Turkey's foreign car production is under different licenses for different brands. Cars, trucks, vans, buses, minibuses, midibuses and tractors are produced. The total capacity of production facilities is close to two million vehicles a year. Most of the vehicles produced are export-oriented. In 2016 alone, 1.5 million vehicles were produced and 1 million vehicles were exported. For this reason, the car manufacturing has become more suitable for the locomotive sector definition in Turkish economy.
However, the increasing competition in recent years and the economic crises have caused the automotive industry and all the sectors in parallel to move towards cost reduction. The easiest way to reduce costs is to reduce the amount of time spent or to reduce the amount of material used to a minimum. In other words, to bring the productivity to the maximum point. Optimization methods developed at this point are introduced.
In this thesis, topology optimization method with objective function is used for minimum material usage. Topology optimization is used at the beginning of the design process to ensure optimal material distribution and to determine load paths. The goal in optimization is to achieve optimal design by providing constraints such as displacement, stiffness, natural frequency. The objective function of the optimization problems is to maximize or minimize the function. For example, to minimize product price or to maximize stiffness results.
In Turkey,  passenger cars are produced in May 2018 are examined according to the Turkish automotive production facilities. As seen in the review, the vehicles produced are in the B- and C-segment class and the size and weight segment measurements are included. When both Turkey considered global automotive logistics produced and exported outside PCC passenger ships of automobiles, intended to transport an intermodal container with taşımacık method.
When studies on container and marine car logistics are examined, it is seen that most of the containers used for automobile transportation are not suitable for intermodal transportation. The containers used are suitable only for rail or road transport, depending on their size and weight. Containers developed for carrying cars on the seagoing are generally obtained by placing car carrier suspension devices in general load containers of 40 feet and 20 feet. The weight of an empty carousel is further increased with subsequent transport and hanging apparatuses. For this reason, the use of vehicle carriers currently used in marine automotive logistics increases costs.
All these reasons, theses within the scope of Turkey's produced according to car size and weight, ISO freight containers measure 40 feet in length suitable for this reason, intermodal transportation, 4 carrying capacity of up to cars, from a structural point of a highly tailored to the Turkish Lloyd rules (higher -cube) container conceptual design.
Topology optimization was carried out by using the target values stated in the structural point of view as a constraint according to the principles stated in the rule book titled "Principles of Construction, Repair and Test of Freight Containers" before the conceptual design, Türk Loydu Volume D, Section 55. The goal is to define constraints if minimum mass is defined.
For completed conceptual design, a finite element model is created. The necessary structural analyzes were made in the relevant Turkish Loydu rulebook. According to the analysis results, the displacement and strain values found are in the targets. The conceptual design seems to be suitable for the car carrier high container, marine transport and four car safely. Moreover, the conceptual design made at the end of the thesis is 30% lighter than an ordinary overhead container.