29 Eylül 2010 | TEKNÄ°K MAKALE 16. Sayı (Eylül-Ekim 2010)

Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) ürün geliştirme teknikleri, uygulama ve araştırmalarda tüm kesimlerin ilgisini çekiyor ve hızlı biçimde büyüyor.
Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) ürün geliştirme teknikleri, uygulama ve araştırmalarda tüm kesimlerin ilgisini çekiyor ve hızlı biçimde büyüyor.  Simülasyon (entegre olmuş benzetim) görsel prototip üretme sayesinde fiziksel prototip imalatını azaltıyor. Ana yatırımlar yapılmadan çok önce yeni ürün tasarımı geliştirilerek, ortaya çıkan maliyetler düşürülüyor. Simülasyon çok net yararlar ortaya koyuyor. Otomotiv endüstrisinde çoğu şirketler için, entegre olmuş yapısal simülasyon ile CAx (Computer-aided Technologies) sistemlerinin kullanımı, artık bir rekabet avantajından öteye net bir zorunluluk haline geldi.
Gemi tasarımında,  Hesaplamalı Akışkan Dinamiklerine (CFD Computational Fluid Dynamic) kolaylıkla entegre edilen tasarım sistemlerinde üç temel unsur öne çıkıyor:

• Bir CFD hesaplamanın tepki zamanı, genellikle yapısal tasarımları simülasyonundakinden çok daha yüksek. Bugünün bilgisayarları, bir defaya mahsus değişikliklerin anında değerlendirilmesinde yeteri kadar güçlü değil.
• Denizcilik ve turbo makineler endüstrisinde kullanılan tasarım ve simülasyon programları,  halihazırda  oldukça karmaşık durumda. Bu nedenle birçok şirket, kurum içinde geliştirilen yazılımlar kullanıyor. Tamamen yeni simülasyon  yöntemlerini içeren bütünüyle yeni bir CAE (Computer-aided engineer) sistemin piyasaya sunulması, kurulmuş yöntemleri ortadan kaldırabilir ve  modası geçmiş yatırımları sonlandırabilir.
• Küresel ısınma tehdidi göz önüne alınarak yapılan siyasi düzenlemeler, piyasa geliştirme ve enerji verimliliği konularında yavaş da olsa yeni bir duyarlılık oluşturuyor. Son zamanlardaki yüksek akaryakıt fiyat artışları, enerjinin karşılanmasına ayrılan finansal bütçelerin büyümesine neden oldu. Bu maliyetlerin düşürülmesine yönelik alternatif çözümler aranıyor.

Yüksek performans tasarımları, parametrik modelleme, hesaplamalı akışkan dinamikleri ve biçimsel optimizasyon Friendship Sistem’in, kuruluşunda esinlenilen itici güçler oldu. İlk yıllarda şirketler çoğunlukla, gemi gövdelerinin şekil optimizasyonu ve akıntı rejimine maruz kalan diğer yüzeyler üzerine odaklanan çalışmalar yürüttü.
Tasarımcılar ve gemi inşaa mühendisleri, etkin ürün tasarımı için yeni tasarım metodolojisini genişletmek, CFD teknolojisi ve optimizasyon stratejilerini uygulamaya imkan sağlayacak “yeni bir yazılım” tipinin eksikliğini hissettiler. Simülasyon araçlarının akımsal ön işleme ve kusursuz entegrasyonunu sağlayacak bütünleşik bir platform, ihtiyaçlar olarak belirginleşti. Tasarım sürecinin anahtar sürücüsü, şekilleri geliştirmeyi besleyen ve yönlendiren, entegre olmuş simülasyon olacaktı. Friendship Sistem bu ihtiyaçların giderilmesindeki arayış sürecinde ortaya çıktı. Bugün Friendship Sistem yazılımları,  kullanıcının simülasyon yazılımı ile kolayca entegre olarak tasarım ve optimizasyon tekniklerinin her çeşidini sunuyor. Birleşen tüm program modülleri,  optimal tarzda tanımlanmış gereksinimleri yerine getirerek, uygulamaya yönelik en iyi tasarımı geliştirmek için elverişli bir ortam sağlıyor.
Son yıllarda başarılı bir şekilde akış simülasyon yazılımını plana yerleştiren şirketler, bugün CFD yazılımını sürücünün koltuğuna koyarak, ürün geliştirmede kolay bir şekilde sonraki adımlara geçiyorlar. Şirketler, bu yolla hızla büyüyen bireysel ve kurumsal talebi karşılamada kendilerini daha hazır hissediyor.



En ileri teknoloji
Gemilerin hidrodinamik analizi içinde oldukça yaygın kullanılan simülasyon araçları, tasarım süreci içinde ikinci derecede bir role sahipler. CAD sistemi içindeki modelleme, standart prosedür olmaya devam ediyor. Ancak, entegre olmuş simülasyona doğru bir kaymanın olması da kaçınılmaz görünüyor. Seçenekler arasındaki küçük bir sayının performansını kontrol etmek ve karşılaştırmak için bir manuel sürece güvenmek yerine,  simülasyon güdümlü tasarım, bir “süper ürüne” doğru tasarımcıya rehberlik ediyor.
Simülasyon ve tasarımcının bilgisi,  şirketinin biriktirilmiş uzmanlığı tarafından kontrol edilerek tasarım sürecinin yeni sürücüsü oluyor.
Simülasyon-güdümlü anlayış, “biçim, işlevi takip eder”  popüler deyişyle mantıksal gerçekleştirme (maddileştirme) olarak tanımlanabilir. Geometrik kurulum için geleneksel modellemeden farklı olarak,  simülasyon güdümlü tasarım, parametrelerin sayısal değerlerine güveniyor. Parametreleştirme, noktalar, eğriler ve yüzeyler arasındaki karmaşık ilişkileri tanımlıyor. Biçim parametreleri ürün özellikleri ile ilgili olarak ürün performansını ifade ediyor. Biçim parametrelerindeki değişim,  performansta da değişime neden oluyor. Tasarımcı,  kısıtları,  bağlılıkları ve serbestlik derecelerini tanımlayarak ürün performansını doğrudan etkileyebiliyor.
Sistematik varyasyon, ardışık adımlar içinde en iyi olası tasarım için,  nereye gidileceğini ortaya çıkarıyor; sadece değerlendirme yerine kendi simülasyon şekillerini de üretme olanağını sağlıyor. Simülasyon güdümlü tasarım doğru, üstün, optimum sonuçlar ortaya koyuyor.

Uygulama Örnekleri
Simülasyon tabanlı tasarım süreci, iyileştirilmiş ürün performansında somut fayda sağlıyor. CAD ve CFD’nin ana fonksiyonları birleştirilerek optimizasyonda önemli iyileşmeler başarılıyor.
Gövde Geliştirme Örneği
Kore menşeli bir tersane olan DSME, 14.000 TEU’luk konteyner gemisi MSC Danit’i optimize etmede simülasyon güdümlü yaklaşım kullandı. 2008 yılında dünyanın en büyük konteyner gemisinin hidrodinamiği,  Friendship Sistem geliştiricisi Flowtech tarafından gömülmüş akış kodu kullanılarak optimize edildi.  Friendship Sistem, bu örnekte akış kodunun entegrasyonunda sisteminin harici araçlarıyla iyi bir etkileşime girdiğini gösterdi.  Geminin gövde şeklinin hidrodinamik optimizasyonunda dikkate değer sonuçlar alındı. Dalga direnci yüzde 50 minimize edildi ve sevk gücü performansı büyük ölçüde iyileştirildi.
Birkaç tasarım adımıyla optimal tasarıma ulaşıldı. Seçeneklerin bir serisi, dalga direncini belirlemek için sayısal olarak simule edildi. Bu seçeneklerin incelenmesi, orta-iskeletin paralel kesimini, LPP’nin yüzde 5’ten, yüzde 15’e kadar uzatmanın faydalı olacağını gösterdi.
Baş dikmede hacim dağılımı düzeltilerek yeni iyileştirmeler sağlandı. Optimize edilmiş geminin bir modeli,  Hamburg’daki HSVA’nın çekme tankında test edildi. Hem simülasyonlar, hem de model testlerinde görülen dalga kalıpları,  gemiye ek dayanıklılık vererek, tatminkar sonuçlar alındı.  14.000 TEU’luk gemi, MegaBoxer sınıfı için hız, şekil ve denge sağlamlığı standartlarını ortaya koydu. Friendship Sistem yazılım paketini kullanma,  tasarım süreci ve gövde optimizasyonunda otomasyonu daha yüksek seviye çıkardı ve  hız performansını da geliştirdi. Hidrodinamik optimizasyonda başarılı sonuçlara ulaşıldı.  Dalga direncinde yüzde 50’den fazla bir azaltım daha iyi itme verimi sağlayarak, geminin daha yüksek dayanıklılığa çıkması sağlandı. Parametre çalışmalar ve geometri değerlendirme içinde elde edilen sonuçlar,  üretim öncesi bilgileri daha doğru hale getirerek, üretim sonrasında oluşacak düzeltme masraflarını önemli oranda azalttı.

Turbo Makineler / Örnek Olay
Radyal yelpaze sarmal tasarımı,  CAD ve CFD teknolojisinin birleştirilmiş kullanımına iyi bir örnek oluşturuyor. Bu örnek olayda, geometri varyasyon ve CFD simülasyonu,  NUMECA yazılım ürünü FINE™/ Tasarım 3D tarafından kontrol edildi. Modellemede geometrik modelleme motoru olarak Friendship Sistem kullanıldı. Bu optimizasyon projesi iki amaca hizmet etti:

-    Giriş ve çıkış arasındaki basınç artışını iyileştirmek
-     Hızlı ve verimli çalışmayı optimize etmek.

Bir tek seçeneğin toplam hesaplama zamanı, ortalama bir iş istasyonunda 1 saat 10 dakikada gerçekleştirildi. CFD analizi ve ileri işleme tekniği ile geometri ve hasır üretiminde toplam 100 seçenek yaratıldı.
Akış davranışı üzerinde farklı geometrilerin etkisini gösteriyor. Statik basınç dağılımları, parametrik modele dayanan yapılandırılmış hasırları olan üç örnek seçenek sunuyor. Optimize edilmiş sarmal, başlangıç tasarımı ile karşılaştırıldığında, sarmal giriş ve çıkışı arasındaki basınç artışında yaklaşık yüzde 30’luk hesaplanmış bir ilerlemeyi gösteriyor. Bu optimizasyonun sonuçları,  parametrik modellerin avantajlarını çok net biçimde gösteriyor ve gelecek için umut vaat ediyor.

Eklenti Tasarımı Örnek Olayı
Gemi tasarım optimizasyonunda anahtar gereksinimler, artan enerji verimliliği, aşırı kavitasyondan kaçınma ve azaltılmış basınç uyarımını (çıkışı) sağlamak olarak özetlenebilir.  Bu örnekte bir geminin dümen suyunu dengeleme borusu (WED),  bir petrol taşıma tankerine uygulandı. Uyarım sahası,  RANS çözücü chapman kullanarak hesaplanırken, tankerin geometrisi Friendship Sistem çerçevesine dâhil edildi. WED, yeniden kullanılabilirlik ve uygunluk için karmaşık tasarım görevlerini kapsayan bir özellik, bir tasarım öğesi olarak tanımlandı.
Belirli bir modelleme bağlamı içinde işlevsellik iki temel amaca hizmet ediyor: Birkaç ayrı tasarım adımını,  basit bir faaliyet içine bütünleştiriyor ve tekrarlamalı, can sıkıcı süreçleri hızlandırıyor. Verilen durumda, tasarım parametreleri şunlardı:

-    İç çap
-    Ana hatlar konisinin açısı
-    Geminin boylamsal düzlemlerine karşı yarım halkaların eksenlerinin açıları
-    WED’in pozisyonu
-    Kiriş uzunluğu
-    Kesim (bölüm) şeklinin profili

İlk dört özellik için profil, ispatlanmış bir standart seriden alındı ve boru üretimi için girdiler olarak tanımlandı. Uyarım dengeleme borusu modele eklendi. Yüzey ızgarası bir bileşen hacim ızgara üretmek için kullanıldı. WED ile viskos akış hesaplamasında,  herhangi bir karmaşık ızgara üretim prosedürlerine ihtiyaç duyulmadı. Düşük akış hızı alanları, önemli oranda azaltılırken, kuvvetli su girdabı en aza indirildi. Sonuçlar çıkartılırken,  geometri değiştirme süresi boyunca veri tutarlılığını korumaya, değişiklik ve kayıpların en aza indirilmesine özen gösterildi. WED üstündeki uygulamalar, ürünün doğru çalışmasını sağladı. Ayrıca güvenilir bir geometri gelişiminin oluşturulmasını garanti altına aldı.

Faydalar
Bir CAE sistemi olarak Friendship Sistem yazılımı kullanarak aşağıdaki faydalar sağlanabilir:

-     Mühendislik süreci ve tasarım  safhasında zaman ve maliyet tasarrufu  
-    Daha düşük tasarım ve model test etme maliyetleri
-    Genişletilmiş üretim öncesi bilgiyle, üretim sonrasındaki değişikliklerin  azaltılması
-    CFD ve diğer araçlarda yatırım üzerine iyileştirilmiş verim ve bireysel özelleştirmede entegrasyon tekniklerinden etkili biçimde yararlanma.

Friendship Sistem şekil optimizasyonuyla ortalama yüzde 4 ile 5 seviyesinde yakıt tasarrufu sunacaktır.

Gelecekteki Beklentiler
Friendship Sistem, yüzey mühendisliğini, mühendisliğin yeniden yapılandırılmasını ve mevcut tasarımların ilerlemesini destekliyor.  Uygun bir bütünsel tasarım süreci içinde, fonksiyonel yüzeyleri optimize etmek ve çeşitlendirmek , analiz etmek ve kurmak için mühendislere olanak sağlıyor. Bu kullanıcı dostu çözümler,  belirsizlikler tasarımını en aza indiriyor,  hedef doğrultusunda akımsal iş akışını destekliyor ve iş yüklerini önemli ölçüde azaltıyor.
Yazılım sistemi, harici araçlar ve programlar için özgün bir entegrasyon platformu olarak ve gemi inşaa mühendisleri için özelleştirilebilir bir çalışma yaratmaya hizmet ediyor. CFD ve CAD içinde mevcut olan yatırımlar, iyi verim alınmasına gelecekte de devam edecek.
Yeni IMO düzenlemeleri ve kılavuzları, randıman için artan talep, optimize edilmiş uyumlu ürünler için büyüyen ihtiyacı vurguluyor. Mevcut tasarımları ve yapıları, yeniden yapılandırma ve yeniden modelleme,  hem bugün, hem de gelecek yıllarda sürdürülebilirlik, işletilebilirlik ve verimliliği garanti etmenin etkin araçları durumunda.

Kaynaklar

• Abt, C.; Harries, S.; Wunderlich, S.; Zeitz, B.: Flexible Tool Integration for Simulation-Driven Design Using XML, Generic and COM Interfaces, COMPIT 2009, Budapest.
• Brenner, M.; Abt, C.; Harries, S.: Feature Modeling and Simulation-Driven Design for Faster Processes and Greener Products, ICCAS 2009, Shanghai.
• Harries, S.; Hinrichsen, H.; Hochkirch, K.: Development and Application of a New Form Feature to Enhance the Transport Efficiency of Ships. 102. Hauptversammlung Schiffbautechnische Gesellschaft, Berlin, November 2007, STG Vol. 101.
• Keskin, A.; Swoboda, M.; Palluch, J.; Abt, C.: Comparison of Different Parameterization and Optimization Approaches in the Field of Aerodynamic Compressor Blade Design.
• Lee, Y.-S.; Choi, Y-B.; Harries, S.: DSME Sharpens Edge for 14,000 TEU Carrier, The Naval Architect, Design and Construction of  Containerships, July 2008.
• Palluch, J.; Starke, A.; Harries, S.: Parametric Modeling for Optimal Components in Turbomachinery,  World Wide Turbocharger Conference 2009, Hamburg.

 

---

R E K L A M