GEMİ PERVANELERİNİN ROBUST TASARIM OPTİMİZASYONU (RDO) YOLUYLA YAKIT TÜKETİMİNİ DÜŞÜRME

Gemi pervanelerinin tasarımının optimize edilmesi, yakıt tüketimi ve gemi performansı üzerindeki etkisiyle işletme maliyetleri üzerinde doğrudan etkisi olduğu için denizcilik endüstrisi için kilit öneme sahiptir. Pervanelerin tasarımındaki en küçük iyileştirme bile gemi operatörlerinin tüm filoda milyonlarca dolar tasarruf etmesini sağlayabilir. Aynı şey, örneğin daha küçük ölçekte de olsa süper yat ve gezi teknesi endüstrileri için geçerlidir.   

Günümüzde pervane tasarımları, sıvı akışından yapısal bütünlüğe ve hatta akustik davranışa kadar geniş bir fizik yelpazesini hesaba katan güçlü araçlarla titizlikle simüle edilebilir. Ve bu tasarımlar, tam otomatik bir şekilde optimum performans için optimize edilebilir. 

Ancak ortaya çıkan soru, bu ‘optimal’ tasarımın, belirsizliklerin hayatın kaçınılmaz bir parçası olduğu gerçek dünya koşullarında optimal tasarıma tekabül ettiğinden emin olup olmadığımızdır. Örneğin, gemi hızı ve şaftın dönüş hızı gibi çalışma koşullarında gömülü olan belirsizlikler veya üretim sürecindeki belirsizlikler, pervanelerin nihai performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilecek pervane şeklinde geometrik değişikliklere yol açar.

Bu soruya bir yanıt bulmak için sağlam optimizasyon düşünülmelidir. Sağlam Tasarım Optimizasyonu (RDO), ürünlerin performansını etkileyebilecek bir dizi bu belirsizliği hesaba katar. Tasarımların, örneğin çalışma koşullarındaki kaçınılmaz değişikliklere veya üretim değişkenliği nedeniyle geometrilerdeki küçük farklılıklara karşı daha az hassas hale getirilerek, ‘sağlam’ bir şekilde optimize edilmesini sağlar.

Bunu göstermek için, aşağıda açıklanan müşteri durumu, kanallı bir gemi pervanesinin belirsizlikler altında optimizasyonunu sunar. Bu vakanın amacı, imalat değişkenliğinin geminin açık su verimliliği üzerindeki etkisini azaltmaktı.

Metodoloji

Kanallı bir gemi pervanesinin iki optimizasyon çalışması yapıldı. İlk olarak, pervanenin açık su verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için standart (deterministik) bir tasarım optimizasyonu kullanıldı. Daha sonra ikinci adımda, açık su veriminin ortalama değerini maksimize etmek ve bu verimin standart sapmasını minimize etmek için sağlam tasarım optimizasyonu yapılmıştır . 

Belirsizlik Sayımı

Bu durum için toplam 12 belirsizlik tanımlanmış ve karakterize edilmiştir: 11 üretim belirsizliği ve 1 operasyonel belirsizlik (eksenel hız). Üretim belirsizlikleri, bu özel durum için tüm üretim toleranslarını belirten teknik norm ISO-484-2’den çıkarılmıştır. Her pervanenin üretim değişkenliği, bu dayatılan üretim toleranslarına uymak zorundadır.

Cadence’in optimizasyon yazılımı FINE™/Design3D, benzersiz bir Belirsizlik Niceleme (UQ) analiz modülü ile donatılmıştır. Çeşitli CFD simülasyonlarını tam otomatik bir şekilde gerçekleştirerek, tasarımcıların belirsizliklerin performans üzerindeki etkilerini kolayca değerlendirmelerini sağlar. Bu çalışmada tanımlanan 12 belirsizlik, 35 ayrı CFD simülasyonu ile sonuçlanmıştır.

Ölçekli hassasiyetler

Belirsizliklerin performans üzerindeki etkisine ilişkin fiziksel içgörü elde etmek ve hesaplama maliyetini azaltmak için Cadence, “ölçeklendirilmiş hassasiyetler” adı verilen akıllı bir son işlem aracı geliştirdi. Bu araç, bir performansın, bu durumda açık su verimliliğinin belirli belirsizliklere duyarlılığını ölçer. Bu duyarlılık türevlerini kullanmak, tasarımcıların analiz edilecek belirsizliklerin sayısını minimum ilgili olanlara indirmesine ve böylece hesaplama maliyetini en aza indirmesine olanak tanır. Bu çalışma için Şekil 1, açık su verimliliğinin pervane kiriş uzunluğuna ve gemi hızına çok duyarlı olduğunu, kalınlığın ise sadece küçük bir rol oynadığını göstermektedir. Bunu bilmek, açıklık yüksekliğinin %70’inde kalınlık için tek bir belirsizlik kontrolü oluşturarak bu çalışma için tüm kalınlık bölümlerini bir araya getirmemizi sağlar.

ŞEKİL 1: Açık su verimliliğinde ölçek hassasiyeti

Deterministik ve sağlam optimal tasarım

Sonuçlarını sağlam optimal versiyonla karşılaştırabilmek için standart deterministik tasarım üzerinde UQ analizi yapıldı. Şekil 2, açık su verimliliğinin standart sapmasının ortalama değeri üzerinden gösterildiği karakteristik bir Pareto grafiğini göstermektedir.

ŞEKİL 2: Standart ve sağlam optimal tasarımı, iki hedef uzayda temel tasarımla birlikte gösteren Pareto grafiği.

Standart tasarım optimizasyonu

Çalışmanın başladığı temel tasarım grafikte kırmızı nokta ile ve standart optimal tasarımın UQ sonuçları (belirsizlikler dikkate alınmadan) mavi kare ile gösterilmektedir. Grafik, açık su verimliliğinin %8,5 oranında önemli ölçüde arttığını, ancak standart sapmasında da %2,6’lık bir artış olduğunu gösteriyor. Bu, bu tasarımın, üretim değişkenliğinin ve eksenel hızın etkisine orijinal tasarıma göre biraz daha duyarlı olduğu anlamına gelir. »

Sağlam tasarım optimizasyonu

Sağlam optimal tasarım 3, şek. Şekil 2, açık su verimliliğinin ortalama değerinin standart optimal tasarımla aynı miktarda, yani %8.5 arttığını göstermektedir. Ancak değişkenliği %-17,7 oranında azalır. Bu, bu tasarımın, üretim değişkenliğinin ve eksenel hızın etkisine orijinal tasarıma göre daha az duyarlı olduğu ve daha kararlı performanslar sağladığı anlamına gelir.

Pervane şekli

Şekil 3, standart optimize edilmiş tasarımın şekillerini ve orijinal pervane şekli ile en sağlam optimize edilmiş sonucu karşılaştırır. Her iki tasarım için performans aynı olsa da, şekilleri önemli ölçüde farklıdır!

ŞEKİL 3: Ortaya çıkan pervane şekli

Sonuçlar

Sağlam Tasarım Optimizasyonu, mühendislerin mevcut ve kaçınılmaz üretim ve operasyonel değişkenliklere karşı daha az duyarlı tasarımlar oluşturmasını sağlar. Standart ve sağlam tasarım optimizasyonunun karşılaştırılması, bu deniz pervanesi durumunda her iki stratejiyle de karşılaştırılabilir bir performans artışının sağlanabileceğini açıkça gösterdi, ancak yalnızca sağlam optimizasyon, performans değişkenliğinin azaltılmasına izin vererek, üretim sürecinden veya operasyonel değişkenlikten kaynaklanan belirsizliklere karşı daha az duyarlı hale getirdi.

0 yorumlar

Bir Yorum Yaz

* Alanları Doldurmak Zorunludur