Su altı patlama yüküne maruz silindirik kompozit sandviç kabukların dinamik analizi
Dynamic analysis of cylindrical composite sandwich shells subjected to underwater blast load
Yazar: MUSTAFA TAŞKIN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR DEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Su altı patlamalarının yapılar üzerindeki etkisinin hassasiyetle incelenmesi, özellikle askeri amaçlarla kullanılan yüzer yapıların, ayrıca savaş durumunda bir hedef haline gelebilecek açık deniz platformları gibi enerji üretim tesislerinin tasarım ve mühendislik hesaplarında büyük önem taşıyan bir konudur. Gemi ve denizaltı yapılarının büyük oranda eğrisel yüzeylerden oluştuğu göz önünde bulundurulursa su altı patlamalarının eğrisel yüzeyler üzerindeki yıkıcı etkilerinin incelenmesi son derece önemli ve ilgi çekicidir.
Bu çalışmada, anlık basınç yüküne maruz silindirik kompozit sandviç kabukların geometrik lineer olmayan dinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Anlık basınç yükü, bir su altı patlaması şeklinde tanımlanmış ve sıvı ortamın etkileri hesaba katılmıştır. Literatürde su altı patlaması kaynaklı basınç yükü için verilmiş denklemler mevcuttur, ancak bu denklemler düz plaklar için elde edilmiştir. Bu sebeple analizlere geçmeden önce anlık basınç yükü denklemleri eğrisel yapılara uygun olacak şekilde düzenlenmiştir. Katı-sıvı etkileşiminde Taylor Plak Teorisi kullanılmıştır.
Silindirik kompozit sandviç kabuğun matematiksel modeli, alt ve üst katmanları kompozit lamine ve orta katmanı yumuşak çekirdek olacak şekilde oluşturulmuştur. Kabuğun geometrik doğrusal olmayan dinamik denklemleri von Kàrmàn büyük yer değiştirmeler teorisi dikkate alınarak, Hamilton prensibi ile elde edilmiştir. Ardından, elde edilen zamana bağlı geometrik doğrusal olmayan hareket denklemleri sınır koşulları da dikkate alınarak genelleştirilmiş diferansiyel kareleme metodu (GDKM) yardımıyla çözülmüş ve su altı patlamasına maruz silindirik kompozit sandviç kabukların dinamik davranışı incelenmiştir. Çözüm için parametrik olarak çalışabilen bir algoritma tez kapsamında geliştirilmiştir.
Tez çalışması kapsamında, değişen geometrik parametrelere karşılık su altı patlama yüküne maruz silindirik kompozit sandviç kabukların dinamik davranışı detaylı olarak incelenmiş ve değişen parametrelerin dinamik davranışı nasıl etkilediği detaylandırılmıştır. Parametrik çalışmalarda patlayıcı mesafesi ve kütlesi, eğrilik yarıçapının değişimi, çekirdeğin kalınlığı ve konumu ile kompozit lamine yüzeylerin oryantasyon açıları incelenmiştir. Buna karşılık, sandviç kabuğun deformasyonu, kompozit lamine yüzey katmanlarının Tsai-Wu hasar hasar indeksi ve çekirdek katmanının basma ve kayma gerilmelerine bağlı hasar indeksi mukayese edilmiştir.

Abstract:
The precise study of the impact of underwater explosions on structures is of great importance in the design and engineering calculations of floating structures, especially those used for military purposes, as well as power generation facilities such as offshore platforms that can become a target in case of war. Considering that ship and submarine structures are mostly curved surfaces, it is extremely important and interesting to examine the destructive effects of underwater explosions on curvilinear surfaces.
In this study, geometric nonlinear dynamic analysis of cylindrical composite sandwich shells subjected to instantaneous pressure load is performed. The instantaneous pressure load is defined as an underwater explosion and the effects of the liquid medium are taken into account. There are equations in the literature for pressure due to underwater explosion, but these equations have been obtained for flat plates. For this reason, the instantaneous pressure load equations are arranged to be suitable for curvilinear structures before proceeding with the analyses. Fluid-solid interaction is defined by using Taylor's Plate Theory.
The lower and upper layers of the cylindrical composite sandwich shell are modeled as composite laminate and the middle layer consists of soft core. The geometric nonlinear dynamic equations of the shell are obtained by Hamilton's principle, taken into account the von Kàrmàn theory of large displacements. Then, time dependent geometric nonlinear equations of motion are solved with the help of generalized differential quadrature method (GDQM) considering the boundary conditions and dynamic behavior of cylindrical composite sandwich shells exposed to underwater explosion is investigated. An algorithm that can work parametrically for the solution has been developed within the scope of the thesis. 
Within the scope of the thesis, the effect of the change of various geometric properties of cylindrical composite sandwich shells subjected to underwater explosion load is investigated through parametric studies. In parametric studies, the distance and mass of the explosive, variation of the radius of curvature, thickness and position of the core and orientation angles of the composite laminated surfaces are examined. In contrast, the deformation of the sandwich shell, the Tsai-Wu damage index of the composite laminated surface layers, and the damage index due to the compression and shear stresses of the core layer are compared.