Bir geminin zaman düzleminde düşey hareketlerini hesaplayan hızlı bir simülasyon aracının geliştirilmesi
Development of rapid simulation tool computing the vertical motion of a ship in time domain
Yazar: ALPER ÖLMEZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FERDİ ÇAKICI
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, 2022
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Gemiler = Ships ; Haritalama = Mapping ; Uzay-zaman = Space-time

Özet:
Günümüzde gelişen teknoloji ile beraber bilgisayar performansları artmış, gemi hareketleri analizlerinin süreleri kısalmıştır ancak gemi inşaatı sektörüne hala yeterince hızlı ve düşük maliyetli çözümler sunulamamıştır. Bu yüzden gemi hareketleri analizleri genellikle tasarım aşamasından sonra yapılmakta ve tasarım süreci denizcilik performanslarının iyileştirilmesi konusunda yeterince değerlendirilememektedir. 
Tasarım aşamasındaki bir geminin hangi deniz koşullarında ve yükleme durumlarında, nasıl operasyon yapacağına ait matematiksel hesaplamaların yapılması, tasarımın iyileştirilmesi ve formun denizcilik performansları dikkate alınarak oluşturulması açısından çok önemli rol oynamaktadır. Bu bilinçle tasarlanan gemiler ülke ekonomisine de büyük katkılar sağlamaktadır. 
Bu tez kapsamında, tasarım aşamasındaki deplasman tipi gemilerin denizcilik performanslarının hızlı ve neredeyse maliyetsiz incelenebilmesi adına öncelikle frekans düzleminde çalışan ve deneysel veriler ile doğrulanmış bir kod geliştirilmiştir. Daha sonra frekans düzlemi verileri kullanılarak zaman düzleminde çalışan bir simülasyon aracına geçiş yapılmıştır. MATLAB programında kodlanan denizcilik programı, gemi düşey hareketlerini üç serbest dereceli (3-DOF) olacak şekilde hesaplamaktadır. Bu hareketlerin ikisi birbirine bağlı dalıp çıkma (heave) ve baş – kıç vurma (pitch) hareketleri iken diğeri bu hareketlere bağlı olmayan yalpa (roll) hareketidir. Zaman düzleminde lineer matematiksel model yaklaşımı kullanılarak oluşturulan denizcilik programı akışkan hafıza etkilerini kullanmakta, farklı rota, hız ve karışık deniz koşullarında sonuç verebilmektedir. 3-DOF gemi hareketleri denklemlerinde yer alan ve gemi hidrostatiğini konum değişimi ile ilintili olan doğrultma terimleri gemi endaze planı yardımı ile hesaplanırken, ek kütle ve sönüm terimleri gemi kesitlerinin birim çembere uyumlu olacak şekilde haritalandırılması ile elde edilmiştir. Daha sonra hesaplanan iki boyutlu katsayılar üç boyutlu gemi formuna (global gemi düzlemine) dilim teorisi ile aktarılmıştır. Frekans düzlemde elde edilen tüm hidrodinamik katsayılar hem Bentley Maxsurf programı ile hem de deney verileri ile karşılaştırılmış ve benzer sonuçların elde edildiği gözlemlenmiştir. Yalpa hareketi için gerekli olan sönüm katsayısı ise viskoz terimlerle ilişki olduğundan yarı deneysel yaklaşım kullanılarak farklı yükleme koşulları için oluşturulmuştur. Genel denizcilik hareket denkleminin sağ tarafında yer alan zorlayıcı kuvvet ve moment terimleri dalıp-çıkma ve baş-kıç vurma hareketleri için "Baştan Gelen Dalgalar Yaklaşımı" (Head Seas Approximation) ile elde edilmiştir. Yalpa hareketi katsayılarına ulaşabilmek için ise "Düşük Eğimli Dalga Yaklaşımı" (Low Slope Wave Approximation) kullanılmıştır. 3-DOF hareket denklemleri "4. Mertebe Runge Kutta Yöntemi" (4th order Runge Kutta Method) kullanılarak nümerik olarak çözülmüştür. 
Tasarım aşamasında olan bir gemi için denizcilik performansını iyileştirecek adımların atılması, tasarımın doğru şekillenmesi ve ihtiyaçların karşılanması açısından çok önemlidir. Bu süreçte atılan doğru adımlar geminin hidrodinamik açıdan performansını suya indirildikten sonra dahi etkileyecektir. Geliştirilen basit arayüze sahip yerli simülasyon aracı ile tasarım spiralinin henüz ilk aşamalarında hazırlanan endaze planı (offset-table) kullanılarak herhangi bir deplasman tipi geminin denizcilik analizi zaman düzleminde saniyeler içerisinde yapılabilmektedir.

Abstract:
As technology has evolved, computer capabilities have increased and the time required to analyse ship motions has decreased. The shipbuilding industry has not been offered quick and cost-effective solutions yet. Therefore, ship motion analysis are usually performed after the design phase, and the design process cannot be adequately evaluated to improve seakeeping performance.
Mathematical calculations of how a ship will perform under which sea and cargo conditions in the design phase play a very important role in improving the design and creating the form by taking into account seakeeping performances. Ships designed with this awareness also contribute greatly to the country's economy.
In this work, a code operating in the frequency domain and verified with experimental data was first developed to quickly and almost inexpensively investigate the seakeeping performances of displacement vessels in the design phase. Subsequently, using the frequency domain data, a transition was made to a simulation program operating in the time domain. The seakeeping program, coded in MATLAB, computes the vertical motions of the ship in three degree of freedom (3-DOF). Two of these motions are couple heave and pitch, while the other is a roll that is not coupled to the other motions. The seakeeping program, built using a linear mathematical modeling approach in the time domain, exploits the effects of fluid memory and can provide results at different encounter angles, speeds, and irregular sea conditions.
While the restoring terms in the 3-DOF ship motion equations related to the change in position of the ship hydrostatics are calculated using the ship line plan, the added mass and damping terms are obtained by mapping the ship sections to be compatible with the unit circle. Then, the calculated two-dimensional coefficients were transferred to the three-dimensional ship form (global ship plane) by the split theory. All hydrodynamic coefficients obtained in the frequency domain were compared with both the Bentley Maxsurf program and the experimental data, and it was observed that similar results were obtained. Since the damping coefficient required for the roll motion is related to the viscous terms, it was established for different loading conditions using a empirical approach. The terms for the excitation forces and moments on the right-hand side of the general motion equation were obtained by the head seas approximation for heave and pitch motions. The low slope wave approximation was used for the roll motion coefficients. The 3-DOF equations of motion were solved numerically using the 4th order Runge-Kutta method.
For a ship that is in the design phase, it is very important to take steps to improve the seakeeping characteristics in order to get the design right and meet the requirements. The right steps taken in this process will also affect the hydrodynamic performance of the ship after launching. With the domestic simulation tool developed with a simple interface, the analysis of the ship motion of any displacement vessel can be performed in seconds in the time domain by using the offset table created in the early stages of the design spiral.