Dış basınca maruz takviyeli silindirik kabukların yapısal stabilitesinin incelenmesi

Bu çalışmada dış basınca maruz takviyeli silindirik kabukların yapısal stabilitesi farklı yöntemler kullanılarak incelenmiştir. Dış basınca maruz takviyeli kabukların incelenmesinin seçilmiş olmasının nedeni, bu tür yapıların denizaltı mukavim tekne geometrisi olarak yaygın biçimde kullanılıyor olmasındandır. Bu tür yapılar maruz kaldıkları bu yükün belli bir değere ulaşması durumunda yapısal stabilitelerini kaybederek burkulmak suretiyle çökerler. Denizaltılar için yapının çöktüğü bu basınca çökme basıncı denilmektedir ve bir denizaltı mukavim teknesi tasarımı açısından bu hesabın yapılması önem arz etmektedir. Bu hesaba nihai mukavemet hesabı denilmekte ve hesap sonucunda takviyeli silindirin taşıyabileceği maksimum yük belirlenmektedir. Bu hesabın yapılabilmesi için çeşitli yöntemler mevcuttur. Bu tezde kullanılmış olan yöntemler denizaltıların klaslanması konusunda hizmet veren kuruluşların da günümüzde kullanmakta oldukları analitik çözümler, sayısal bir yöntem olan sonlu elemanlar yöntemi ve deneysel yöntemlerdir. Bu çalışmada ilgili yöntemler boyutları değişken yirmi bir adet takviyeli silindirik kabuk üzerinde uygulanmıştır. Yirmi adet model oluşturulurken yalnızca takviyeler arası mesafe değiştirilmiştir. Bir model ise farklı malzeme kullanıldığı için ayrı olarak değerlendirilmekte yalnızca deney sonuçları verilirken sonuçları sunulmaktadır. Bu yirmi bir model için hem analitik hem de sayısal çözümler yapılmış ve grafiklerle sonuçları sunulmuştur. Bu modellerden beş tanesi ise imal edilmiş ve hazırlanan deney düzeneği vasıtasıyla deneysel olarak da kritik burkulma basınçları tespit edilmiş ve sonuçları sonlu elemanlar yöntemi ve analitik yöntemlerle birlikte sunularak farklılıkların gerekçeleri belirtilmiştir. Takviyeli silindirik modellere dış basınç uygulayabilmek için ilk olarak basınçlı bir tank tasarlanmıştır. Bu deney tankı su ile doldurularak imal edilen modeller bu tankın içine yerleştirilmekte ve tankın içindeki su el pompası yardımıyla basınçlandırılarak deney tankı ile model arasındaki suyun basıncının yükselmesi sağlanmaktadır. Basınç arttıkça bir basınç sensörü vasıtasıyla tanktaki basınç ölçülmekte ve anlık olarak bilgisayara kaydedilmektedir. Kritik basınca ulaşıldığında ise silindirik sac burkulmakta ve tankın içindeki suyun basıncı düşmektedir. Basınç anlık olarak bilgisayara kaydedildiği için kritik burkulma basıncı hassas olarak bulunabilmektedir. Yapılan analiz nihai mukavemet analizi olduğu için kullanılan malzeme özelliklerinin bilinmesi çok büyük önem arz etmektedir. Bu sebeple seçilen malzemelerin sunulan minimum özellikleriyle yetinilmemiş ve çekme testi yapılarak kullanılan malzemenin özellikleri tam olarak tespit edilmiştir. Bu teste ilişkin rapor tezde ek olarak verilmektedir. Yapılan bu çekme testinin sonuçları analitik ve sayısal hesaplarda kullanılmıştır. Dış basınca maruz takviyeli silindirik kabukların burkulması asimetrik burkulma, simetrik burkulma ve genel kararsızlık olmak üzere üç temel modda gerçekleşmektedir ve bu modlara ilişkin çeşitli analitik çözümler mevcuttur. Bu çalışmadaki modellerin kritik burkulma yükünün hesaplanmasında yukarıda sözü edilen modlar için Reynolds T.E., Lunchick M.E. ve Bryant A.R.'e ait olan çözümler kullanılmış ve bu çözümlerin dayandığı prensipler tezde anlatılmıştır. Sayısal hesap yöntemi olarak sonlu elemanlar yöntemi seçilmiş ve bu yöntemin uygulanması amacıyla da ABAQUS paket programı kullanılmıştır. ABAQUS programı kullanılarak lineer burkulma analizi ve nonlineer burkulma analizleri gerçekleştirilmiştir. Lineer burkulma analizi neticesinde bir yapının elastik burkulma basıncı tespit edilir. Fakat lineer burkulma analizi neticesinde elde edilen değer daima gerçek yapının taşıyacağı yükün üzerindedir. Bu sebeple nonlineer etkilerin ve geometrik kusurların da çözüme eklenerek nonlineer burkulma analizi yapılması gereklidir. Bu tezdeki sonlu elemanlar analizlerinde her model için önce lineer burkulma analizi yapılmış, ardından lineer burkulma analizi sonucu elde edilen mod şekilleri ölçeklenerek geometrik kusurlu modeller türetilmiş ve bu modeller nonlineer analizde kullanılmıştır. Tezde kullanılan modellerin silindir sacı kalınlığı 1.5 mm olarak tasarlanmış ve yirmi bir adet model için burkulma basınçları bu kalınlık değerine göre analitik ve sayısal olarak çözülmüştür. Tezin karşılaştırma kısmında bu duruma ilişkin sonuçlar sunulmuştur. Diğer taraftan deney yapılan beş adet model için de 1.5 mm sac kalınlığı olması istenmesine rağmen imalat zorluklarından dolayı bu kadar küçük kalınlıkların söz konusu olduğu modellerde bu değer yakalanamamıştır. Deney sonrası modeller kesilerek imalat sonrası sac kalınlıkları ölçülmüş ve her bir model için ölçülen sac kalınlıklarına göre analizler güncellenmiştir. Sonuç olarak deney yapılan veya yapılmayan bütün modellerin burkulma modu asimetrik burkulma olarak analitik çözümlerden tahmin edilmiş ve deney yapılan modellerde de bu sonuç doğrulanmıştır. 1.5 mm sac kalınlığı kullanılan modellerde analitik ve sayısal sonuçlarda çok iyi bir uyum olduğu görülmüştür. Deney yapılan modellerde ise, iki adet modelde sonuçlar hesaplarla beklenen sonuçlarla mükemmel uyum gösterirken diğer üç adet modelde deney sonuçları beklenen burkulma yüklerinin altında kalmıştır. Yapısal stabilite problemleri imalat hatalarından ve malzeme hatalarından çok etkilenebilmektedir. Bu sebeple tezde kullanılmış olan asimetrik burkulma formülasyonunu kullanan Germanisher Lloyd klas kuruluşu bu analitik çözümü azaltma faktörüyle çarparak kullanmaktadır. Tez için imal edilen modellerin deney sonuçları da her model için Germanisher Lloyd'un nihai asimetrik burkulma basıncı formülasyonunun üstünde kalmıştır.