Yat gövde modellerinin parametrik ve sıfat-tabanlı modifikasyonu için bilgisayar destekli tasarım sisteminin geliştirilmesi

Bilgisayarların icadı ile, geleneksel tasarım ve üretim tekniklerinin yerini bilgisayar destekli tasarım, bilgisayar destekli mühendislik ve bilgisayar destekli imalat gibi gelişmiş tasarım teknikleri devralmıştır. Tasarımcılar, güvenilir ürünleri ve gelişmiş mühendislik tasarımlarını geliştirmek için bu teknikleri kullanmaktadır. Bilgisayar destekli tasarım alanında parametrik tasarım yaklaşımı, tasarımcıların tasarımlarının anında topolojik değişiklikler yapmasına yardımcı olan en güçlü tekniktir. Farklı araştırmacılar tarafından çalışılan sıfat tabanlı farklı tasarım tekniği olabilir. Bu araştırmanın amacı, tasarımcılar ve deniz mimarları için parametrik ve sıfat tabanlı yat gövdesi formları üretmek üzere sofistike bir tasarım platformu geliştirmektir. Bu tez çalışmasında, ilk önce bir yat gövdesinin parametrik tasarımı ve şekil değişikliği için yeni bir tasarım çerçevesi önerdik. Önerilen çerçeve, kayıcı tekne gövdesinin yanı sıra yer değiştirme ve yarı-yer değiştirme gövdeleri çeşitleri üretebilir. Bu çerçeveyi kullanarak, tasarımcılar, farklı keskin çizgiler ve baş çizgisi şekilleri ile klasik yatlardan modern yata gövde parçaları oluşturabilirler. Bu çerçevede, gövde üç bölgeye ayrılmıştır: giriş, orta ve arka bölgeleri. Bu şekilde, bir tasarımcının daha iyi tasarım esnekliği sahip olur, böylece daha çok gövde tasarım çeşitleri elde edilebilir. Her bölge, güverte çizgisi, omurga çizgileri, keskin eğri çizgileri ve istasyon çizgileri gibi teknenin karakteristik çizgilerini temsil eden bağımsız eğrilerden oluşur ve bu eğrilere özellik eğrileri denir. Giriş bölgesi baş için ekstra bir eğriye sahiptir. Her istasyon omurga kalınlığı hattı, keskin eğriler arası kalınlık hattı ve iki alt istasyon hattından oluşur. Özellik eğrileri, gövdenin genel şeklini oluşturur ve bezier eğrileri ile temsil edilir. Bezier eğrileri kompakt ve sezgisel matematiksel tanımlamalara sahiptir olduğundan önerilen tasarım çerçevesinde kullanılır. Bir tekne gövdesinin 3D yüzey modeli, her bir bölgede ayrı olarak özellik eğrileri arasındaki Coons Patches'lerinin interpolasyonu yapılarak üretilir. Her bölgede, eğer bir çift keskin eğri ve omurga kalınlığı mevcutsa, en az dört Coon Patches' i vardır. Giriş bölgesi bir dikdörtgen ve üç üçgen Coon Patches'den oluşmaktadır. İlk dikdörtgen Patches güverte hattı, dış keskin eğri çizgisi, baş çizgisi ve istasyon-1'in üst hattı arasında oluşturulur. İkinci Coon Pathes , iç keskin eğri, dış keskin eğri ve keskin eğri kalınlığı hatları kullanılarak yaratılan üçgen bir yamadır. Üçüncü Coon Patch, iç keskin eğri çizgisi, istasyon-1'in alt hattı ve ofset omurga çizgisi arasında oluşturulur. Dördüncü Coons Patch omurga çizgisi, omurga kalınlığı çizgisi ve ofset omurga çizgisi arasında oluşturulur. Uzama, genişleme, derinleşme, baş açısı, ön bölgedeki giriş açısı, güverte kavisi açısı, keskin eğri çıkarıcı, keskin eğri giricisi, keskin eğri kalınlığı, omurga kalınlığı, baş dikey uzunluğu, keskin eğri konumu, minimum eğrilik yarıçapı ve istasyon konkavitesi gibi şekil operatörleri de tanıtıldı ve yumuşak geçişli gövde, geometrik süreklilik ve parametrelerin bağımsız modifikasyonu gibi bazı kalite kriterleri göz önüne alınarak verilen tekne biçiminin modifikasyonu için uygulanmıştır. Yumuşak geçişli gövde, gövde estetiği ve hidrodinamik performans açısından önemli bir tasarım gerekliliğidir. Yumuşak geçişli olmayan gövde yüzeyleri izole burunların varlığına işaret eder. Yüzeydeki bu darbelerin görülmesi, direncini arttırarak gövde biçiminin hidrodinamik davranışını etkiler. İki bitişik özellik eğrisinin bağlantı noktasında G^0$ ve G^1$ süreklilikleri sürdürmektedir. Aksi takdirde, bu eğrilerden üretilen yüzeyler, bağlantı noktalarında sıkı ve düzgün şekilde bağlanmaz. Şekil operatörleri tasarım parametrelerini temel alarak tasarlanmıştır. Tek bir parametrenin değerini değiştirirken, diğer parametrelerin değerleri mümkün olduğunca aynı kalmalıdır. Bu şekilde, herhangi bir parametrenin değiştirilmesi, diğer parametre değerlerinin değiştirilmesine neden olmaz. Bu kriter, değişken gövde form nesilleri açısından daha iyi değişiklik sağlar. Modifikasyon sırasında eğri dağılımı giriş eğrisine benzer olan bir eğri elde etmek tercih edilir. Bu şekilde girdi ve değiştirilmiş eğriler benzer şekle sahip olabilir ve istenmeyen şekillerdeki eğrilerden kaçınılabilir. İstenmeyen özellik eğrilerinin kullanılması, gövde yüzey şekillerinin uygun olarak oluşturulamamasına neden olur. Bu nedenle, yumuşak geçişli ve uygulanabilir modifikasyonlu özellik eğrileri için yinelemeli bir yaklaşım kullanılmakta ve Kuragano ve Kasono tarafından önerilen tekniğe dayanılarak objektif bir fonksiyon getirilmektedir. Yinelemeli yaklaşım, girdi ve değiştirilmiş eğrinin eğrilik dağılımlarını karşılaştırır ve bu iki eğri arasındaki benzerliği değerlendirir. Giriş ve değiştirilmiş eğrilerin eğrilik grafiklerine yaklaşarak hesaplama yapıldığında eğer girdi eğrisi yumuşak geçişliyse değiştirilmiş eğri de yumuşak geçişlidir. Yat gövdelerinin sıfat tabanlı modellenmesi için, Teaching-Learning Based Optimization (TLBO) algoritmasına dayanan bir örnekleme tekniği önerdik. Son yıllarda, nüfusa dayalı bir algoritma olan, öğretme ve öğrenme ilkesiyle çalışan TLBO algoritması Rao ve diğerleri tarafından sunulmuştur. Bu algoritma, bir öğreticinin bir popülasyondaki öğrenicilerin kalitesi üzerine etkisine dayanmaktadır. TLBO, tanımlanan tasarım alanı içinde belirli bir boyut için ilk çözümler popülasyonunu rastgele üreterek optimizasyon işlemine başlar. Çözüm, iki aşamalı olarak geliştirilir: Öğretici aşaması ve Öğrenici aşaması. Popülasyon öğrenen sınıfı olarak kabul edilir. Tasarım değişkenleri, sınıftaki öğrenicilere sunulan konulara benzer. Öğretici aşamasındaki en iyi çözüm, tüm bölüm öğreticiler olarak düşünülür ve bu öğretici, bilgileri onlarla paylaşarak öğrenenlerin kalitesini yükseltmeye çalışır. Öğreticinin kalitesi, öğrenicilerin kalitesi üzerinde önemli etkiye sahiptir. Öğrenici aşamasında, öğreniciler diğer öğrenicilerle etkileşim kurarak kalitelerini yükseltmeye çalışırlar. Bu çalışmada, TLBO, S-TLBO olarak adlandırılan sınırlandırılmış ve sınırlandırılmamış CAD model örneklemesi için genişletilmiştir. Önceden tanımlanmış bir tasarım alanındaki N$ tasarımlarını örneklemek için, her biri ayrı öğrenicilerden oluşan N$ alt popülasyonlar oluşturulur. Öğretme ve öğrenme aşamaları, maliyet fonksiyonuna dayanan her bir alt popülasyon için tek tek uygulanır. Yinelemeler, maliyet değerlerinde değişiklik önemsiz derecede küçük olana kadar sürdürülür. Her bir alt popülasyondaki öğreticiler, S-TLBO'nun uygulanmasından sonra örneklenmiş tasarımlar olarak sayılıyor. Örnekleme sırasında örnek alınan tasarımlar, boşluk doldurma olarak adlandırılan tasarım alanına eşit şekilde yayılmalıdır. Fakat bu kriter, tasarımların büyük bir bölümünü özellikle yüksek boyutlu örnekleme problemleri için tasarım alanının köşelerine ve sınırlarına yerleştirme eğilimindedir. Bu sorunun üstesinden gelmek için, tasarımlar mümkün olduğunca Latin Hypercube tasarımları sınıfında aranmaktadır. LH tasarımları için kural, çakışmamak olarak adlandırılır; bu, örneklenmiş tasarımların aynı tasarım parametre değerlerini paylaşmadığı anlamına gelir. Bu çalışmada, CAD modelleri örneklenirken boşluk doldurma ve çakışmama dikkate alınır. Örnekleme sırasında, örnek alınan tasarımlar tasarım alanında farklı konumlarda olmalıdır. Bu nedenle, fiziksel bir analojiyi izleyen Audze ve Eglais tekniğine dayanan bir maliyet fonksiyonu kullanılmaktadır: Bir uzaydaki moleküller, bir boşlukta birbilerine potansiyel enerjiye yol açan itme kuvvetleri uygularlar. Bu moleküller, minimum potansiyel enerji durumunda denge halindedir. Tasarım alanındaki tasarımlar moleküller olarak düşünülebilir. Sınırlı tasarım örneklemesi için, sabit tasarım alanındaki tasarımları örneklemek amacıyla S-TLBO tekniğinde bir statik kısıtlama taşıma mekanizması kullanılır. Böylece örneklenmiş tasarımlar önceden tanımlanmış tasarım kısıtlamalarını karşılar. Sıfat tabanlı yat gövdesi modellemesi yapmak için, sınırlandırılmış tasarım alanı örneklemesi için S-TLBO kullanılır. Doğan, yat gövdesini temsil etmek için güçlü, hızlı, estetik gibi farklı nitelikler için matematiksel modeller üretti. Yaklaşımında Doğan, gövde geometrileri ve gövde özellikleri arasındaki ilişkiyi öğrenmek için üç farklı anket düzenledi. Bu anketlerden farklı yat gövdesi için veri setleri oluşturulmuştur. Daha sonra, bu veri setleri, gövde özellikleri ve gövde formları arasındaki ilişkileri matematiksel modeller şeklinde belirlemek ve GMDH tipi sinir ağı yetiştirmek için kullanıldı. Sıfat tabanlı modeller üretmek için, S-TLBO kısıtlı tasarım alanlarında kullanılmakta ve Doğan'ın çalışmalarından alınan matematiksel modeller, tasarım kısıtlamaları olarak uygulanmaktadır. S-TLBO bu tasarım kısıtlamalarını göz önünde bulundurarak tasarım örneklemesi yapar, böylece sıfat tabanlı tekne formları oluşturulur. Parametrik tabanlı tasarım çerçevesinin ve S-TLBO'nun performansı çeşitli deneylerle test edilmiştir. Bu tez deneyleri, şekil operatörlerinin uygulanması ile önerilen tasarım çerçevesini kullanarak çeşitli gövde şekillerinin üretilebileceğini göstermiştir. Deneyler, S-TLBO'nun sınırlandırılmış ve sınırlandırılmamış tasarım alanlarında örnekleme yapmak için sağlam olduğunu ve sıfat temelli yat gövdesi formları üretebildiğini ortaya koymaktadır. Sonuçlar, özellikle çok sayıda numune üretildiğinde S-TLBO'nun en gelişmiş tekniklerden daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymuştur. Son olarak, önerilen teknikler temel alınarak, ModiYacht adı verilen bir kullanıcı uygulaması geliştirildi. ModiYacht, parametrik tabanlı tasarım modifikasyonu ve yat gövdesi formlarının sıfat tabanlı üretimi olarak iki modülden oluşmaktadır.