Bağımsız tanklara sahip bir geminin ısıl gerilme analizi

Bu çalışma kapsamında bağımsız tanklara sahip, örnek bir asfalt tankerinin ısıl gerilme analizi gerçekleştirilmiştir. Yüksek sıcaklıklarda taşınan asfalt gibi yüklerin veya LNG gibi çok düşük sıcaklıklarda taşınan yüklerin deniz yoluyla güvenli bir şekilde taşınması, geleneksel tanker tasarımlarıyla mümkün değildir. Gemi yapısının direk bir şekilde maruz kalabileceği yüksek veya düşük sıcaklıklar, yapıda ısıl gerilmelerin oluşmasına yol açacaktır. Gemi yapısında oluşan sıcaklık gradyanları, yüksek değişimler tecrübe ediyorsa, yapıda oluşan gerilmeler göz ardı edilemez. Diğer bir husus ise gemi inşaat çeliğinin mekanik özellikleridir. Örneğin, asfalt gibi yükler taşıyan tankerlerde, 200°C – 250°C arasındaki yük sıcaklığının gemi yapısına aktarılması, malzemenin mekanik özelliklerinde düşüşe sebep olacaktır. Aynı şekilde düşük sıcaklıklardaki yükler ise gemi inşaat çeliğinin daha gevrek bir hale gelmesine neden olur. Bu yüzden konvansiyonel tasarımlar yerine, bağımsız tanklara sahip gemiler tasarlanmıştır. Bağımsız tankların gemi mukavemetine katkılarının olmamalarıyla beraber, tanklar gemi gövdesinde düşük ısıl iletim katsayısına ve yüksek bası mukavemetine sahip destek takozları sayesinde taşınırlar. Ayrıca tank ile gemi arasında bulunan ortama geçen ısı miktarını en aza indirmek için, bu tankların yalıtımları iyi bir şekilde sağlanmalıdır. Bu tez kapsamında, bağımsız tank ile gemi gövdesi arasında gerçekleşen ısı transferi, DNV-GL kurallarına bağlı kalınarak gerçekleştirilmiştir. İlk olarak bağımsız tank tipleri ve maruz kaldıkları yükler anlatılmıştır. Sonrasında, gemi inşaatında en çok kullanılan yapısal eleman tipi olan levhalara ait lineer teori kullanılarak levhaların şekil değiştirme karakteristikleri incelenmiştir. Lineer teoriye bağlı kalınarak levha eğilmesi ve levha düzlem gerilmesi problemlerinin birbirlerini etkilemediği kabul edilmiş olup, ayrı ayrı incelenmişlerdir. Levhalardaki ısıl yüklere bağlı meydana gelen ısıl gerilmelere geçilmeden önce, katı bir ortamda gerçekleşen iletim yolu ile ısı transferi incelenip sonrasında da termoelastisite teorisinin çıkarımı ve buna bağlı olarak kuplaj teriminin ihmal edildiği lineer elastisite teorisinin kullanımı için gerekli olan kabul ve varsayımlardan bahsedilmiştir. Termoelastisite teorisi ile ilgili genel bir bilgilendirme yapıldıktan sonra, levhalar için ısıl gerilme problemi incelenmiştir. İncelenen problemde levha malzemesinin lineer elastik ve izotropik olduğu kabulü yapılmıştır. Bu varsayım doğrultusunda levhalarda oluşabilecek ısıl gerilmeler iki farklı şekilde oluşabileceği anlatılmıştır. Olası ısıl gerilme şekillerinden ilki levha kalınlığı boyunca oluşabilecek sıcaklık gradyanına bağlı oluşan ısıl momentin yarattığı gerilmelerdir. Levhanın yeterince ince olduğu kabulü yapıldığı takdirde, sıcaklığın kalınlık boyunca dağılımının lineer olduğu kabul edilebilir. Isıl gerilmelere yol açan ikinci mekanizma ise, levha düzlemi boyunca düzgün olmayan sıcaklık gradyanlarının oluşmasıdır. Bu sıcaklık dağılımının referans sıcaklığa göre farkına bağlı olarak, levha düzleminde uzamalar ve kısalmalar gerçekleşecektir. Şayet sıcaklığa bağlı yer değiştirmeler, uygulanan sınır koşulları vasıtasıyla kısıtlanırsa, düzlem içi kuvvetlerin oluşmasından dolayı orta düzlem gerilecektir. Ancak iki ısıl gerilme durumunda da ısıl yükler kayma gerilmelerine yol açmayacaktır. Tez kapsamında ısıl gerilme analizi, sonlu elemanlar yönteminin tatbiki yoluyla gerçekleştirilmiştir. Örnek geminin analizine geçilmeden önce ısıl ve mekanik yükler altındaki bir levhanın sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Genel formülasyon minimum enerji prensibinin, toplam enerji denklemine uygulanması sayesinde elde edilmiştir. Levha eleman için katılık matrisi ve kuvvet vektörleri hesaplanırken, enerji formülasyonunda elde edilen integral denklemler öncelikle fiziksel koordinatlardan doğal koordinatlara taşınılmış, sonrasında da elde edilen izoparametrik elemanlar için Gauss yöntemiyle numerik integrasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Numerik integrasyon işlem MATLAB ortamında yapılmıştır. Teorik altyapı ile bilgi verildikten sonra, örnek bir bağımsız tanklara sahip asfalt tankerinin analizleri gerçekleştirilmiştir. Tekne kirişinin ve gemiye etkiyen yüklerin, gemi boyuna eksenine göre simetrik olmasından dolayı gemi yapısının sadece iskele tarafının geometrik modeli hazırlanmış olup bu eksen üzerinde bulunan düğüm noktalarına analiz esnasında simetri sınır koşulu tanımlanmıştır. Benzer şekilde analizler esnasında sadece ısıl yüklerin etkidiği kabulüne dayanarak, gemi ortasında bulunan pompa odasının hem kıç hem de baş tarafında bulunan bağımsız tankların gemi bünyesinde benzer sıcaklık dağılımlarına neden olacağı kabulü ile model pompa odasının ortasından kıç tarafa doğru bir bağımsız tankı kapsayacak şekilde hazırlanmıştır. Pompa odasının orta kesitinde bulunan düğüm noktalarına ise simetri sınır koşulu uygulanmıştır. Gemi de gerçekleşen ısı geçişinin doğası nedeniyle, ağ örgüsü geometrik boyutlar göz önünde tutularak levha elemanlar yardımıyla oluşturulmuştur. Sıcaklık değişimlerinin boyutları ve şekil değiştirmelerin zamana bağlı etkileri göz önünde bulundurularak kuplajsız termal gerilme analiz modeli hazırlanmış olup sonuçları değerlendirme esnasında DNV-GL kurallarına bağlı kalınarak malzemenin akma değerleri sıcaklığa bağlı olarak seçilmiştir. Analizlere ilk olarak geminin sürekli rejim ısı transferi hesabı ile başlanmış, sonrasında da ısı transferi analizinden elde edilen düğüm noktalarındaki sıcaklık değerlerinin ön yük olarak uygulandığı yapısal analiz ile tamamlanmıştır. Analizler, destek takozlarında kullanılan iki farklı ara yüz malzemesi için tekrarlanmıştır. İlk ısıl gerilme analizde ara yüz malzemesi ULEPSI ticari adıyla bilinen çok katmanlı polimer malzeme kullanarak gerçekleştirilmiştir. Sonrasında ise ara yüz malzemesi gemi inşaat çeliği olarak modellenerek hesaplar tekrarlanmıştır. Analiz sonuçlarında, faklı ara yüz malzemelerinin kullanılması sonucu oluşan sıcaklık dağılımları, oluşan ısıl gerilmeler ve ısıl gerilmelerin sıcaklığa bağlı müsaade edilen gerilme değerlerinin ne kadarlık bir kısmını etkilediği irdelenmiştir. ULEPSI ve çelik ara yüz malzemeleri kullanılarak hazırlanan modeller irdelendiğinde ara yüz malzemesi seçiminin ısıl gerilmeleri azaltmada önemli rol oynadığı tespit edilmiştir. Ancak ısıl gerilmelerin daha da azaltılabilmesi adına, destek takozlarının yerleşiminin ön tasarım safhasında iteratif bir şekilde incelenmesi gerekmektedir.