Analysis and Structural Optimization of the Bottom Plate of a Composite Boat with Finite Element Method

Year 2023, Issue: 223, 47 - 63, 24.08.2023

Recep Tayyip Kılıç , M. Erden Yıldızdag

https://doi.org/10.54926/gdt.1282017

Abstract

Materials used in ship industry usually change in parallel with technological advancements. Boats formed by connecting tree logs in ancient times were replaced by boats made of processed wood over time. Then, large and durable ships made of iron began to be produced when metals could be melt and formed. Composite is a structural material formed by the combination of two or more constituent materials. Polymer matrix composites are commonly used in shipbuilding industry. In these composites, polyester, epoxy or vinyl ester are used as resin whereas glass fiber, carbon fiber or aramid fiber are used as fiber. Composite boats are subjected to certain standards and rules while being produced. Scantling of a boat under 24 meters is determined within the framework of the rules set by the International Organization for Standardization (ISO). The standards allow for the calculation of the design loads that the plates and support elements must withstand. In this study, the bottom plate of a composite boat is optimized to reduce production costs. A top-hat stiffened composite plate which was studied in the literature is examined. The design loads are determined according to the International Organization for Standardization. The plate is modeled and analyzed by a commercial finite element analysis software. For the structural optimization, the most suitable orientation sequence is first identified. Then, by using the determined orientation sequence, plate width, stiffener height, and layer thickness parameters are optimized. As a result, it is shown that sufficient strength can be achieved with much less material by optimizing the angle and layer only on the plate without the need for additional reinforcement.

Keywords

composite boat, supported plate, orientation optimization, layer thickness optimization

Kompozit Bir Teknenin Dip Levhasının Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Analizi ve Yapısal Optimizasyonu

Abstract

Gemi sanayinde üretim malzemeleri, teknolojinin gelişmesine paralel yönde değişim göstermektedir. Eski çağlarda ağaç kütüklerinin birbirine bağlanması ile elde edilen sandallar zamanla yerlerini işlenmiş ahşaptan üretilmiş teknelere bırakmıştır. İnsanoğlu metalleri eritip şekil verebildiğinde ise demirden yapılma büyük ve dayanıklı gemiler üretilmeye başlanmıştır. Günümüz teknolojisinde ise demirden yapılan hantal gemilere alternatif olarak çok daha hafif ve benzer dayanımları gösteren kompozit tekneler üretilmektedir. Kompozit iki veya daha fazla materyalin niteliklerinde değişim olmadan makro düzeyde bir araya gelmesi ile oluşan yapısal malzemedir. Gemi inşaatı sanayisinde polimer matrisli kompozitler kullanılır. Bu kompozitlerde reçine olarak en çok polyester, epoksi ve vinilester; lif olarak da en çok cam elyaf, karbon elyaf ve aramid elyaf kullanılır. Diğer tekne türleri gibi kompozit tekneler de üretilirken belli standartlar ve kurallara tabi tutulur. 24 metre ve altı tekneler daha çok Uluslararası Standardizasyon Teşkilatı’nın (ISO) koyduğu kurallar çerçevesinde boyutlandırılır. Standartlar teknenin dip, borda, güverte gibi kısımlarındaki levhaların ve destek elemanlarının dayanması gereken yüklemeleri ampirik formüller yardımı ile hesaplanmasını sağlar. Yapısal elemanlar boyutlandırılırken müşterinin isterileri, malzemelerin standart ölçülerde üretilebilirliği ve en önemlisi üretim maliyetleri göz önüne alınır. Üretim maliyetinin düşürülmesi ve üretimin daha az malzeme ile yapılabilmesi için farklı optimizasyon çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmada kompozit bir teknenin dip levhasının daha az malzeme ile üretilmesini sağlamak amacıyla optimizasyon çalışması yapılmıştır. Literatürde daha önce kullanılan ölçülerde bir levha ve levhayı destekleyen iki adet şapka tipi destek elemanı ele alınmıştır. Dip levhasına etki eden kuvvetler Uluslararası Standardizasyon Teşkilatı’nın belirlediği kurallar doğrultusunda tekne ve levha ölçüleri kullanılarak bulunmuştur. Levha sonlu eleman yöntemi ile modellenmiş ve analiz edilmiştir. Yapılan optimizasyon çalışmasında ilk olarak en uygun oryantasyon dizilimi aranmıştır. En uygun dizilim kullanılarak daha sonra levha genişliği ve destek eleman yüksekliği optimizasyonu, katman kalınlığı optimizasyonu yapılmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde ilave bir güçlendirmeye gerek kalmadan sadece levhada açı ve katman optimizasyonu yapılarak çok daha az malzeme ile yeterli dayanımın sağlanabileceği gösterilmiştir.

Keywords

kompozit tekne, destekli plaka, oryantasyon optimizasyonu, katman kalınlığı optimizasyonu

References

• Chen, N.-Z., & Guedes Soares, C. (2007). Longitudinal strength analysis of ship hulls of composite materials under sagging moments. Composite Structures, 77(1), 36-44.
• Chen, N.-Z., & Soares, C. G. (2008). Ultimate Longitudinal Strength of Ship Hulls of Composite Materials. Journal of Ship Research, 52(03), 184-193.
• Colombo, C., & Vergani, L. (2014). Influence of delamination on fatigue properties of a fibreglass composite. Composite Structures, 107, 325-333.
• ISO. (2018). ISO 12215-5:2018—Small craft—Hull construction and scantlings—Part 5: Design pressures for monohulls, design stresses, scantlings determination.
• Imran, M., Shi, D., Tong, L., & Waqas, H. (2019). Design optimization of composite submerged cylindrical pressure hull using genetic algorithm and finite element analysis. Ocean Engineering, 190, 106443.
• Kai, Q., Renjun, Y., Wei, S., & Yaoyu, H. (2020). Research on the tension damage behavior of sandwich composite L-joints: Experiment and simulation. Composite Structures, 232, 111566.
• Kharghani, N., Alizadeh, F., Soares, C. G., & Tsouvalis, N. G. (2019). Experimental and numerical study of a composite-to-steel joint under bending and torsion loads. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, 233(3), 722-734.
• Kharghani, N., & Guedes Soares, C. (2018). Experimental, numerical and analytical study of bending of rectangular composite laminates. European Journal of Mechanics - A/Solids, 72, 155-174.
• Khosravani, M. R., & Weinberg, K. (2017). Experimental investigations of the environmental effects on stability and integrity of composite sandwich T-joints. Materialwissenschaft Und Werkstofftechnik, 48(8), 753-759.
• Khosravani, M. R., & Weinberg, K. (2018). Characterization of sandwich composite T-joints under different ageing conditions. Composite Structures, 197, 80-88.
• Kolanu, N. R., Raju, G., & Ramji, M. (2018). Experimental and numerical studies on the buckling and post-buckling behavior of single blade-stiffened CFRP panels. Composite Structures, 196, 135-154.
• Kutupoğlu, V., Akpınar, A., Bingölbali, B., & Çakmak, R. E. (2018). Marmara Denizi Üzerinde Maksimum Belirgin Dalga Yüksekliklerinin Alansal Dağılımları. İmo 9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Kasım 1, 2018.
• Li, B., Gong, Y., Gao, Y., Hou, M., & Li, L. (2022). Failure Analysis of Hat-Stringer-Stiffened Aircraft Composite Panels under Four-Point Bending Loading. Materials, 15(7), Article 7.
• Li, H., Yao, Y., Guo, L., Zhang, Q., & Wang, B. (2018). The effects of delamination deficiencies on compressive mechanical properties of reinforced composite skin structures. Composites Part B: Engineering, 155, 138-147.
• Li, X., & Zhu, Z. (2020). Optimization Design of a Composite Hull Stiffened Panel Considering Structural Stability.
• Mantari, J. L., & Guedes Soares, C. (2013). Finite element formulation of a generalized higher order shear deformation theory for advanced composite plates. Composite Structures, 96, 545-553.
• Ma, L., & Liu, D. (2016). Delamination and fiber-bridging damage analysis of angle-ply laminates subjected to transverse loading. Journal of Composite Materials, 50(22), 3063-3075.
• Mo, Y., Ge, D., & He, B. (2016). Experiment and optimization of the hat-stringer-stiffened composite panels under axial compression. Composites Part B: Engineering, 84, 285-293.
• Morshedsolouk, F., & Karimirad, M. (2021). Postbuckling of Marine Stiffened Composite Plates with Initial Geometric Imperfections Using Progressive Failure Analysis. Journal of Marine Science and Application, 20(4), 694-705.
• Mouring, S. E. (1999). Buckling and postbuckling of composite ship panels stiffened with preform frames. Ocean Engineering, 26(8), 793-803.
• Raju, Prusty, B. G., & Kelly, D. W. (2013). Delamination failure of composite top-hat stiffeners using finite element analysis. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, 227(1), 61-80.
• Saraçoğlu, K. E., Yüksel, Y., Aydoğan, B., & Aydoğan, B. (2014). Marmara Denizi Dalga Enerji Potansiyelinin Belirlenmesi. 8. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Kasım 8, 2014.
• Schilling, J. C., & Mittelstedt, C. (2022). Local postbuckling of omega-stringer-stiffened composite panels. Thin-Walled Structures, 181, 110027.
• SudhirSastry, Y. B., Budarapu, P. R., Madhavi, N., & Krishna, Y. (2015). Buckling analysis of thin wall stiffened composite panels. Computational Materials Science, 96, 459-471.
• Zhang, X., Dai, W., Cai, B., Li, C., Huang, W., & Fang, C. (2022). Numerical and Experimental Investigation of Bearing Capacity for Compressed Stiffened Composite Panel with Different Stringer Section Geometries. Applied Composite Materials, 29(4), 1507-1535.
• Zhao, W., Xie, Z., Wang, X., Li, X., & Hao, J. (2019). Buckling behavior of stiffened composite panels with variable thickness skin under compression. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 26(3), 215-223.