Başlangıç tasarımı evresi için gemi tekne yüzeyi işleme ve direnç tahmini programı

Deniz ulaşımı en eski çağlarından beri gelişmekte olan önemli bir ulaşım türüdür. Çeşitli amaçlar doğrultusunda üretilen yüzer araçlarda optimum dengeyi yakalamak adına ve daha verimli, daha konforlu ve daha emniyetli tasarımlar ortaya koyabilmek için matematikçiler ve mühendisler tarafından yapılmış bir çok çalışma bulunmaktadır.Gemi tasarımı hidrodinamik, yapısal analiz ve stabilite gibi birçok alt başlığa sahip olduğundan ötürü bu karmaşık yapının tasarımının tamamlanmasında birden fazla takım veya departmanın disiplinlerarası bir takım çalışması ortaya koyması gerekmektedir. Bu yüzden yüzer taşıtların çeşitli kısımlarının tasarımında karşılaşılan en karmaşık sorunların analizi ve bu sorunlara makul kabuller içeren çözümler üretebilmek adına günümüze kadar sayısız çalışmalar yapılmıştır.Bir geminin su altı formunun tasarımı ve optimizasyonu söz konusu olduğunda hidrodinamik özellikler ön plana çıkmaktadır. Bir geminin hidrodinamik özellikleri tekne formunun suya adaptasyonunu etkiler ve böylece operasyonel durumda karşılaştığı direnç miktarı, efektif makina gücü ve istenilen seyir hızını sağlamak için gerekli olan pervane tasarımı, yakıt tüketimi ve manevra karakteristiği gibi konularla ilişkilenir. Bu özellikler geminin inşaa sürecinden ziyade servis ömrü boyunca sahip olacağı ekonomik özelliklerini temsil ettiğinden ötürü, hiçbir armatörün ekonomik olmayan bir gemiyi tercih etmeyeceği de göz önünde bulundurulduğunda hidrodinamik dizaynın gemi tasarımındaki en önemli başlıklardan biri olduğu anlaşılabilmektedir.Günümüze dek farklı gemi türlerinin tekne formlarının tasarımında karşılaşılan problemlere bir çok çığır açan çözüm üretilmiştir. Bu çözümlere verilebilecek örneklerden biri balblı baştır. Balblar gemi baş formunun akımla karşılaştığı esnada ortaya çıkan baş dalgalarına zıt dalgalar üreterek bu dalgaların sönümlenmesini sağlarlar. Böylece geminin karşılaştığı toplam dalga direnci düşer ve buna bağlı olarak daha yüksek seyir hızlarına ulaşılır ve daha düşük yakıt tüketimi sağlanır.Farklı türlerdeki gemilerin su altı şekillerinde de çeşitlilik görülmektedir. Örneğin bir ham petrol tankerinin yüksek kargo kapasitesi ve optimum hızı sağlamak için dolgun bir orta kesiti bulunurken yüksek seyir hızı ve yüksek manevra kabiliyetine ihtiyaç duyan savaş gemilerinin orta kesitleri ham petrol tankerlerine kıyasla daha narin olmaktadır. Her tür gemi için kendilerine has tekne geometrilerinden bağımsız olacak şekilde gereksinim ve performans dengesi sağlanmalıdır. Bu durum da hidrodinamik tasarımın önemini vurgular niteliktedir.Hidrodinamik tasarım ve tekne formu optimizasyonunda şirketlerin kendi ihtiyaçları doğrultusunda kullandıkları çeşitli yazılımlar mevcuttur. Başlangıç tasarım süreci yüzey modelleme işlemleri için Rhinoceros ve Napa başlıca örneklerdendir. Direnç analizi aşaması için ise Maxsurf resistance, Ansys fluent ve OpenFOAM yazılımları örnek verilebilir. Ayrıca çoğunlukla sakin su direncini düşürme ve dalga düzenlerinin analizinde kullanılan hidrodinamik optimizasyon odaklı bir çok CFD aracı bulunmaktadır. Bu araçların geliştirilmesi ve kullanılması üzerine yapılmış bir çok çalışma literatürde yer almaktadır. Belirli kısıtlar çerçevesinde bir tekne yüzeyi oluşturmak ve düzenlemek karmaşık bir işlem olduğundan ötürü tasarımcılar bu süreci otomatik hale getirebilen yazılımları kullanmaya eğilim göstermektedirler.Bu çalışmada Rhinoceros programının Grasshopper eklentisi kullanılarak tekne yüzeyi düzenleme işleminin belirli bir kısmını otomatik hale getiren bir kod geliştirilmiştir. Kod aynı zamanda Michell.exe adında bir direnç tahmini programıyla bağlantılı hale getirilmiştir ve birlikte başlangıç tasarım aşamasında faydalı olabilecek bir otomatik yüzey düzenleme ve direnç hesaplama programı oluşturulmuştur.Yaygın şekilde kullanılan bir program olması, eğimli objelerle çalışma konusunda tutarlı bir performans sunabilmesi ve kullanılabilirliği sebebiyetiyle bu çalışmada Rhinoceros yazılımı tercih edilmiştir. Grasshopper, Rhinoceros programına parametrik tasarım özelliği katan bir eklentidir. Rhinoceros ortamında yapılabilen işlemlerin büyük bir kısmı Grasshopper ortamında da yapılabilmektedir. Aynı zamanda iki yazılımın birçok komutu aynı veya benzerdir.Programlar Grasshopper komutlarının sunulan alana sürüklenmesi ve birbirleri arasında bağlantı kurulması şeklinde oluşturulur. Komutların girdi kısımlarına istenen bir geometri, sayı veya bir sayı kaydıracı bağlanabilmektedir. Sayı kaydırıcıları değişken bir girdiyi temsil eder ve limitleri ile hassasiyeti ayarlanabilmektedir. Bu sayede tamamlanmış bir tasarım üzerinde sonradan yapılmak istenen değişiklikler kolaylıkla yapılabilir. Ayrıca Grasshopper ortamında oluşturulmuş bir tasarım Rhinoceros ortamına kolaylıkla aktarılabilir.Grasshopper komutları matematik, diziler, vektör, eğri, yüzey, kesişim, dönüşüm gibi ana başlıklar altında toplanmıştır. İsteğe bağlı olarak programa dahil edilebilen farklı komut grupları da bulunmaktadır. Üç boyutlu modelleme dışında çeşitli disiplinlere yönelik fonksiyonları da bünyesinde barındırdığı için yapısal mühendislik, mimarlık ve sanat gibi alanlarda da kullanılabilmektedir.Oluşturulmuş olan program ile üzerinde çalışılmak istenen tekne formu Grasshopper'a tanımlanır. Form üzerinde düzensiz ölçeklendirmek işlemi yapılır ve ana boyutlar analiz edilir. Sonraki aşamada ise kullanıcıya kesit değişimi ile yüzey manipülasyonu imkanı sunan kod bileşeni bulunmaktadır. Bu bileşenin ardından sırasıyla lineer boy verme ve direnç tahmini bileşenleri yer almaktadır. Direnç tahmini aşamasında nihai tekne formunun kullanıcının belirlediği sayıda su hattı ve posta sayısına göre yarı genişlik değerleri analiz edilir ve bu değerler kendi içlerinde belirli gruplar haline getirilip düzenlenir. Bu düzenleme işlemi sonrasında Michell.exe programının girdi dosyalarının formatına uygun hale getirilmiş değerler ilgili dosyalara aktarılır. Programın sunduğu tüm özellikler tek bir tasarım üzerinde aynı anda kullanılabileceği gibi istenen bir form üzerinde sadece tek bir fonksiyonu da uygulanabilir.Bu program ile bir tekne formu üzerinde üç farklı yüzey düzenleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmada düzensiz ölçeklendirme, kesit değişimi ile yüzey işleme ve lineer boy verme işlemleri tek bir tekne formu üzerinde ayrı ayrı uygulanmıştır. Orijinal formun ve düzenleme işlemleri sonrasında elde edilen formların direnç değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen direnç değerleri orijinal formun direnç değerleriyle kıyaslanmış ve çalışmanın sonuçları doğrultusunda yorumlar yapılmıştır. As many differing transportation options, marine transportation has been a vital and growing way of transportation since the earliest ages of humanity. Mathematicians and engineers have been studying to enhance and develop better, more efficient, more comfortable and more trustworthy designs to obtain the optimum balance for varying purpose floating veichles.Since ship design has many subbranches such as hydrodynamic design, structural design, stability design and etc, more than one team or department have to exhibit an interdiciplinary teamwork to overcome this complex task. Thus, numerous studies have been made until today to analyze the most complicated problems faced during the designation of varying parts of floating veichles and to provide solutions based on reasonably acceptable ways by mathematicians and engineers who have specialized on differing branches.Speaking of underwater form design and optimization of a vessel, hydrodynamic properties are the foregrounding features. Hydrodynamic performance of a vessel affects the adaptation of its hull form with water and thereby it directly influences the resistance amount faced during the operation, efficient machinery power and suitable propeller design to maintain the desired cruise speed, fuel consumption and maneouvrability characteristics. Since these features mostly represent the economical properties of a ship not during its building process but especially its service life, hydrodynamic design is one of the most important parts of ship design when it is also considered that any ship owner would not prefer a vessel which is not cost-effective. There have been many groundbreaking solutions provided to the problems faced during many hull form designs for various ship types until today. Bulbous bows are one of the examples to these solutions, which create an opposing wave pattern to the bow waves that occur at the fore part of the ship while operational and absorbs them. Thus it lowers the total amount of wave resistance that the ship faces and correspondingly provides higher cruise speeds and lower fuel consumptions at the design speed. There are also many different underwater shapes for varying purpose of vessels. For instance a VLCC has a fuller mid-section and hull form to provide a large cargo space and cruise speed optimization where a naval ship has a thinner hull form compared to a VLCC to maintain higher cruise speeds and maneouvrability. For all types of ships, notwithstanding to their specific hull shapes, the balance between requirements and performance has to be met, which puts the importance of hydrodynamic design on the table.There are many softwares used by companies according to their specific needs for hydrodynamic design and hull form optimization. Rhinoceros and Napa are the examples for surface modelling at initial design, where Maxsurf resistance, Ansys fluent and OpenFOAM are some of the examples for resistance calculation step. Also there are many CFD tools used for hydrodynamic optimization, mostly for reducing calm-water drag and wave patterns, by which many studies have been made until today and can be found in literature. Since building and editing a hull surface within some certain constraints, especially manual editing, is a complex work all by itself, the use of automated software is a growing tendency by designers. In this study a script has been developed by using Grasshopper plug-in for Rhinoceros, which automates some part of the hull surface editing process. The script is also linked with a resistance prediction program called Michell.exe and together they provide automated surface editing and resistance prediction as an initial design utility program. Three different surface manipulation procedure has been applied to a single hull form with this program and resistance prediction values have been compared with the original form. Comments have been made on the obtained results. 104