Yüksek hızlı kompozit teknelerde dövünme kuvvetlerine maruz panellerin mekanik analizi
Mechanical analysis of high speed composite vessels? bow-flares? panels
Yazar: UĞUR MUTLU
Danışman: PROF. DR. AHMET ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
Günümüzde mühendislik araçlarının dizaynı ve üretimi yapılırken genellikle iki temel kıstas üzerine işlemlere başlanır ve bitirilir. Bu şartlar tüm mühendislik araçları için aynıdır. Bunlar zaman  kısıtı ve ekonomik kısıt yani yakıt kısıtıdır. Deniz araçlarında bu iki şartı birden sağlamanın yolu olabildiğince hafif araçlar üretmektir. Deniz araçlarında ağırlığı azalttıkça zamandan tasarruf edebilir aynı zamanda daha az yakıt harcamasını sağlayabilirsiniz. Tabi bu dizayn ve üretim süreçlerindeki en genel ifadedir, bu süreçlerde bir çok farklı kısıt ve koşul bulunmaktadır. Bu çalışmada, yakıt ve zamandan olabildiğince tasarruf sağlayabilmek için üretilen yüksek hızlı kompozit tekneler ele alınmıştır. Değindiğimiz gibi, deniz araçlarını hızlı ve yakıttan daha da tasarruf edecek şekilde dizayn ve imal etmek istiyorsak olabildiğince hafif üretmek  önceliğimiz olmalıdır. Bu noktada deniz araçlarının imalat malzemesi ön plana çıkmaktadır. Seçeceğimiz malzeme deniz araçlarının performansına direkt etki etmektedir. Deniz araçlarının hafif olmasını isterken, tabi ki güvenliği de göz ardı edemeyiz. Malzemelerin minumum  mekanik ve mukavemet özelliklerini karşılaması gerekmektedir. Bu durumda, kullanımı artık birçok sektörde iyice artan kompozit malzemeler denizcilik sektörü için de elverişili bir malzeme olmuştur. Yüksek hızlı teknelerde de kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Yüksek hızlı kompozit teknelerin hafifliği ve yüksek hızlarda hizmet sunabilmeleri son yıllardaki üretimlerinin artmasına sebep olmuştur. Bu teknelerin zorlu deniz koşullarında, hızlı ve güvenli bir şekilde görevlerini yerine getirmeleri istenmektedir. Bu yüzden mekanik olarak bu şartlarda çalışmaya elverişili olmalılardır. Yüksek hızlı kompozit teknelerin çalışmaları esnasında, baş kısımları birbirinden farklı büyüklükte statik ve dinamik yüklere maruz kalmaktadırlar. Bu çalışma iki ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde yüksek hızlı teknelerin baş kısımlarının dövünme esnasında maruz kaldığı hidrodinamik kuvvetler hesaplanmıştır. İkinci bölümde ise yüksek hızlı teknelerde dövünme kuvvetlerine maruz kalan kompozit malzemenin statik ve dinamik davranışı incelenmiştir. Hidrodinamik basınç kuvvetleri bulunurken, tekne formunun V şekilinde olduğu kabul edilmiştir. Suya giren yapı rijit olarak alınmıştır. Akışkan ise durgun kabul edilmiştir. Akışkan aynı zamanda döndürülemez (irrotosyanel) ve sıkıştırılamazdır. Analitik çözümlerle basınç kuvvetleri bulunmuştur. Basınç kuvvetlerinin büyüklüğüne etkiyen bir çok parametre bulunmaktadır. Bunların başlıcaları V tipindeki yapının suya giriş açısı ve suya giriş hızlarıdır. Bu çalışma kapsamında farklı sayıda suya giriş açıları ve hızları için parametrik bir çalışma yapılmıştır. Yapı üzerindeki kompozit paneller referans bölgesi olarak ele alınmış basınç değerlerinin bu kompozit paneller üzerindeki değişimi gösterilmiştir. Kompozit paneller de farklı kenar oranlarına ( farklı boylara) sahiptirler. Bu durum kompozit panelin tamamının suya girişini değiştirdiği gibi, hidrodinamik darbeden dolayı oluşan basınç kuvvetinin değişmesine neden olur. Aynı zamanda kompozit plakların doğal titreşim frekansları da kenar oranlarının değişmesinden etkilenmektedir. Diğer bölümde ise, yüksek hızlı kompozit teknelerde kullanılan karbonfiber-epoxy malzemeden üretilmiş kompozit panellerin statik ve dinamik analizi yapılmıştır. Hidrodinamik darbeden doğan basınç kuvvetlerinin bulunması için malzemenin ne olduğunun önemi yoktur, o bölümde malzeme rijit kabul edilmiştir. Bu bölümde ise aynı ölçülere sahip panellerin karbonfiber-epoxy malzeme ile üretildiği kabul edilmiş ve bu kompozit malzemelerin statik analizleri yapılmış, doğal frekansları bulunmuştur. Kompozit malzemelerin yapısal davranışlarını etkileyen bir çok faktör bulunmaktadır. Bunların en önemlilerinden bir tanesi de fiberlerin yönelim açıları ve katmanların dizilimleridir. Nasıl bir mekanik davranış sergileyeceklerini daha önceden bilmek kaydıyla kompozit malzeme kullanırken farklı yönelim açıları ve dizilimler bir çok avantaj getirir. Farklı kombinasyonlarla farklı mekanik özellikler elde etmemizi sağlar. Bu çalışmada kompozit panllerin iki farklı sınır şartında mekanik özellikleri incelenmiştir: Dört kenar basit mesnetli ve dört kenar ankastre mesnetli. 5 farklı kenar oranına sahip panellerin herbiri 5 farklı dizilime sahiptirler. Tüm bu durumların kompozit panellerin statik ve dinamik davranışına olan etkisi ağırlı artıklar yöntemi olan Galerkin yöntemiyle ve sonlu elemanlar analizi yapan bir program olan Abaqus CAE ile incelenmiştir. Galerkin yönteminden ve Abaqus sonlu elemanlar yazılımından elde edilen sonuçların uyum içerisinde olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
Before design and production process of every kind of engineering vessels; including airccraft, automotive and marine vessels need to achive two important items. Every engineering vehicle needs to be fast not to consume so much time. Another target of engineering vessels is not to consume too much fuel to be more economically. Marine vessels are designed and built to be more light to achive these two important items. We can achive not to consume too much time and fuel by building lighter vessels. Light vessels provide to achive both of them  at the same time. There are lots of targets and  constraints while designing and building marine vessels except these two targets about time and fuel. In marine sector, there are lots of vessel types have built up to now and so on. These vessels have different missons and different service areas. This diversity of marine vessels is being larger and larger dy by day. All vessel owner wants fast and economical boats. It doesn?t change this matter the boat type and the service area. In marine sector, to make the boats faster and low fuel consumer, the boats are produced more lighter. In this work, a mechanical analysis has been applied for the high speed boats. As we said before, if we would like to consume less fuel and less time, we have to build the marine vessels lighter. At this point, the building material of marine vessels have important role at the weight of the marine vessel. While we traying to build lighter vessels, we also have to consider the safety. We mean mechanical properties and strength of the marine vessels. To achive all of these aims together, composite materials are very suitable for marine vessels. These materials have a large area of usage at different engineering industries including aircraft, marine and automotive sectors. At the production of high speed marine vessels, composite materials are used mostly. The demand to the high speed vessels is increased because of different reasons. These kind of boats need to achive their missons whatever the sea condition at the high speeds.  At these conditions, these boats need to be reliable mechanically. In this work, the bow-flare of high speed boats are investigated. The bow-flares of high speed boat are exposed different kind of static and dynamic loads.
This work includes two main parts. In first part, hidrodinamik impact pressures are investigated analitical. In second part, the static bending and dynamic behavior is investigated to the composite panels which are used at the bow-flares of marine vessels. 
In rough seas with large relative vessel motion, slamming may occur with large water impact loads. Usually, slamming loads are much larger than other wave loads. Sometimes marine vessels suffer local damage from the impact load or large scale buckling on the deck. For high-speed marine vessels, even if each impact load is small, frequent impact loads accelerate fatigue failures of hulls. Thus, slamming loads may threaten the safety of marine vessels. The expansion of marine vessel?s size and new consepts in fast marine vessels have decreased relative rigidity causing in some cases serious wrecks. A rational and practical estimation method of wave impact loads is thus one of the most important prerequisites for safety design of marine vessels. Wave impact has challenged many researchers and it acan be said that the mechanicsm of wave impacts are correctly understood for the 2-d case, and accurate impact load estimation is possible for the deterministic case. The long-term prediction of wave impact loads can be also given in the framework of linear stochastic theories. However, our knowledge on wave impact is still far from sufficent. 
In this work, we investigated the pressures which occurs while the boat slamming. The fundamental hypotheses of the mathematical description of the fluid are recalled that; the fluid is initially at rest, inviscid, incompressible and irrotational. The body is infinetly rigid, gravitational force is neglected and the atmospheric pressure is equal to zero. The effect of air trapped between the body and the free surface of the water is negligible. While slamming, mostly bow section of the marine vessels exposed to impact pressures. Here, the bow section of marine vessels assumed as a wedge shaped.Here for the analysis, the wedge shaped bow section of the vessel is partially modeled as composite rectangular plate. There are two general parameters which affect the impact pressures. These are the vertical velocity of the vessel and the deadrise angle of the bow-flare section. The vertical impact velocities are constant even after the boat enter the water as many researchers has done. Different five velocities has been used for the analysis. These are 0.2, 0.5, 1, 1.5, 2 m/s. The other parameter which effects the impact pressure is deadrise angle of the bow section of marine vessel. This deadrise angle of the vessel directly effects the wetting time of the bow-flare. Five different deadrise angles has been used for this work. These are: 5, 10, 15, 30, 45 degrees. Another parameter which effects the wetting of panels is the length of panels. At the wedge shaped bow section, referance panels are used to study. These panels length effect the wetting time and the distrubition of the pressure. The lengths of panels are 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 meters. The analysis have been applied according to these parameters and impact pressures are investigated. The impact pressures are represented here in two different ways. Firstly the spatial impact pressure distribution at different times are represented. For different times, the impact pressure distribution along the plate is shown. Here, while the impact pressure sweeps the plate, the pressure changes at the different times. The second second way to show how the impact pressure distribution changes on the plate is temporal distribution. In this way, we can see that at a given point on the plate how the impact pressure changes according to time while the load sweeping accross the plate. In this way, we know the total time of splashing. When we define a point on the plate, from beginning to the end we can see the change of the impact pressure. The pressure at a given point starts from its maximum and after this point is under the free surface, the impact doesn?t change. 
At the second main part of this work, static bending and free vibration behavior of laminated composite panels whis is widely used at bow-flare of high speed marine vessels. Linear static analysis allows engineers to test different load conditions and their resulting stress and deformation. Bow-flares of high speed vessel?s are exposed to different loads. Knowing how a design will perform under different conditions allows engineers to make changes prior to physical prottyping, thus saving both money and time. Apart from static analysis, vibration analysis is also a critical component of a design. Any physical system can vibrate and the vibration of bow-flares of high speed vessels can cause hazardous results. The frequencies at which vibration naturally occurs and the mode shapes which the vibrating panles assumes are the properties of the system. The designer and marine engineer must know these properties of the system in order to design the high speed vessels against the failure due to vibrations. Inherent vibration modes in structural components or mechanical systems can shorten the equipment life and cause premature or completely unanticipated failure, often resulting in hazardous situations. Resonaces are determined by the material properties ( such as mass, stiffness, damping) and boundary conditions of the structure. If either the material properties or the boundary conditions of a structure change, its modes will change. Thats why, in this work a parametric study is applied for composite plates. Modes are used as a simple and efficent means of characterizing resonant vibration, which makes a structure to vibrate with excessive, sustained oscillatory motion. Resonant vibration is caused by an interaction between the inertial and elastic properties of the material within the structure. As we mention before, to make boats faster, the first thing we need is using lighter materials. Composite materials have found increasing applications in enginnering structures and in manufacturing industry. Composite materials can be optimized for strength, stiffness, fatigue, and heat and moisture resistance by changing the orientation of fibers. Composite materials have much higher strength to weight ratio than the conventional materials. The structural elements such as bars, beams, and plates are made of stacking together many plies of fiber reinforced layers in different angles to achive the desired properties. Because of all these reasons, mostly, high speed vessels built with composite materials. Inthis work, for different panels static and dynamic analysis is applied. All plates are rectangular laminated composite plates. The material is assumed carbonfiber-epoxy which has a high strength-weight ratio and high stiff-weight ratio like other composite materials. Two different boundary conditions is applied for all plates. These are all edges full clamped and all edges simple support boundary conditions. For the orientation three different angles are used 0, 45, 90 degrees whic are easy to use at production and the most used angles. Six different orientation and sequence is used for the static and dynamic analysis. The another parameter whic affect the static and dynamic behavior of composite panles is the aspect ratio. Aspect ratio has direct effect on the mechanical behavior of composite panels. Six different aspect ratios is analysed for this work. One edge of the panels has the constant length 0.5m., the other changes due to different aspect ratios. In this study, while investigating the maximum deflection and natural frequencies of the plates, the classical laminated plate theory which is based on the classical plate theory is applied. In the classical laminated plate theory it is assumed that the Kirchhoff Hypothesis holds. The bending and natural vibration of laminated composite panels are determined by using weighted residual method Galerkin formulation and finite element method Abaqus (CAE). The maximum deflections occurring at the middle of the plates are determined for all possible changes on the composite plates. The lowest four natural frequencies are determined for all possible changes on the composite plates such as, the change in the boundary conditions (all edge fully clamped and all edge simple supported), the change in the laminate configuration (six different symmetrical configuration), the change in the aspect ratios. The study shows that; the plates with the fully clamped and simple supported boundary conditions behave in a similar way for static deflections. The results of static bending analysis and natural free vibration analysis weighted residual method Galerkin formulation and Finite Element Method (Abaqus CAE) gives close results.