OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
AMFİBİK BİR ASKERİ ARACIN SUDAKİ STABİLİTESİNİN
İNCELENMESİ
Hasan Günal
Otokar Otomotiv ve Savunma Sanayi A.Ş., Sakarya
ÖZET
Bu çalışmada 6X6 konfigürasyonlu bir amfibik zırhlı askeri aracın sudaki dengesi incelenmiştir. Çalışmada
kullanılan yöntem deniz araçlarının stabilite inceleme yöntemlerinden farklılık arz etmektedir. Sudaki stabilitenin ve
yüzme dengesinin bulunmasında katı cisim mekaniği yazılımı kulanılmıştır. Yöntemde basit olarak aracın tüm dış
yüzeyleri küçük alanlara bölünmüş ve bu alanlara derinliğe bağlı olarak değişen kaldırma kuvveti uygulanmıştır. Bu
metodla aracın belirlenen ağırlık ve ağırlık merkezinde durgun sudaki dengesi otomatik olarak bulunmuştur. Ayrıca
aynı model üzerinden aracın çeşitli kısımlarından yaralanması durumundaki yüzme dengesi de incelenebilmiştir. Yine
aynı model ve metodoloji aracın dalga ve rüzgar nedeniye alabora olma ihtimalini belirleyen metasantır yüksekliği de
belirlenmiş ve bu değer sonraki tasarımlara referans olarak kabul edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Yüzme stabilitesi, Amfibik araç, Metasantrik yükseklik
ABSTRACT
In this study, floating stability of a 18 ton amphibious military vehicle was searched. The metodology of the study is
different from the metodology used for the ship. A multi body dynamics software was used to determine the equilibrium
and stability of the vehicle on the water. In this metodology, outer surface of the vehicle was divided to small areas and
floating forces related to the depth was applied on these small areas. By this way equilibrium position of the vehicle on
flat water was found automaticaly. In addition, by using this model floating equilibrium of the injured vehicle was also
found. In addition, metasantric height which shows the stability of the vehicle on the water was also calculated with the
same metodology. This metasantric height is going to be used as a referance value for the future designs.
Keywords: Floating stability, Amphibious vehicle, Metasantric height
olarak bu alandaki öncü çalışmalar deniz araçlarının
tasarımında zaten kullanılmaktadır.
1. GİRİŞ
Amfibik araçlar konsept olarak hem karada hem de
suda hareket edebilirler. Aracın karadaki tüm
hareketleri süspansiyon, direksiyon, güç grubu ve
lastikleri ile ilgili tüm çalışmalar klasik araç dinamiği
yaklaşımları ve araç dinamiği yazılımları ile
çözülebilmektedir. Ancak, aracın su üzerindeki
durumunun belirlenmesi de tasarım ve ön testler
aşamasında kritik önem arz etmektedir. Genel yaklaşım
Deniz araçlarının tasarım aşamasında yüzme
stabilitesi ve sudaki dengesinin bulunabilmesi için
aracın kesitleri çıkarılarak bu kesitler üzerinden bir
hesaplamaya gidilmektedir. Şekil 1’ de bir deniz aracı
için yapılan kesit çalışması görülmektedir. [2]
1
dolayı yüzme stabilitesinin belirlenmesinde bahsedilen
amaçlara uygun başka bir yöntem geliştirilmesi
zorunluluğu ortaya çıkmıştır.
Bu amaçla tasarım çalışmalarında araç dinamiği
simülasyonları konusunda sıkılıkla kullandığımız
ADAMS yazılımı kullanılarak tamamen parametrik bir
model oluşturulması kararlaştırılmıştır.
Teorik olarak yapılan işlem oldukça basittir. Aracın
batan hacminin bulunabilmesi için dış yüzeyi küçük
alanlara bölünmüştür. Tüm alanların alan merkezleri ve
normalleri bulunarak bu alanlara yüzeyin normali
doğrultusunda sıvıların kaldırma kuvveti prensibi
uyarınca kaldırma kuvveti uygulanmıştır. [1]
Şekil 1. Deniz araçlarının stabilite hesaplarında
kullanılan kesitler [2]
Ancak deniz araçlarında kullanılan bu yöntem
çalışmada incelen 6x6 bir amfibik araç için pratik
olmamaktadır. Çünkü aracın kesitleri bir deniz
aracından oldukça farklılık göstermekte, düzgün olarak
değişmemekte ve ani değişiklikler göstermektedir. Bu
yüzden bir deniz aracına göre boyutsal olarak oldukça
küçük olan amfibik araç için kullanılacak kesit sayısı
oldukça fazla olacaktır. Ayrıca bu yöntem kullanılarak
harcanacak model çok uzun zamanda hazırlanacak ve
araç gövdesinde yapılacak küçük değişikliklerin
stabilite modeline yansıtılması oldukça emek yoğun
olacaktır.
Şekil 2’ de örnek bir alana uygulanan kaldırma
kuvveti görülmektedir.
Ayrıca çalışma sonucunda bulunacak su hattında
yapılabilecek küçük yüzdesel hata bile amfibik araç
için ciddi su hattı seviyesi hatasına karşılık gelecektir.
Çalışmanın daha sonraki aşamalarında görüleceği gibi
amfibik bir aracın fribordu (aracın su seviyesi üzerinde
kalan kısmının yüksekliği) deniz aracına kıyasla
oldukça düşüktür.
Şekil 2. Örnek bir alana uygulanan kaldırma
kuvveti
Literatür incelemesinde ise amfibik araçların yüzme
stabilitesi ile ilgili olarak yapılmış herhangi bir
çalışmaya da rastlanmamıştır. [1,3]Bu konuda yapılan
tüm çalışmalar deniz araçları için yapılmıştır ve ortaya
konulan tüm standart ve örnekler deniz araçlarında
kullanılmak üzere derlenmiştir.[3]
Şekil 2’ de görüldüğü gibi her bir küçük alanın
merkezinin referans su yüzeyinden yüksekliği model
içerisinde sürekli olarak ölçülmekte ve bu ölçülen
değer Archimates prensibine uygun olarak kaldırma
kuvvetine dönüştürülüp alanın normali doğrultusunda
uygulanmaktadır. Araç modeli yaklaşık 400 farklı
küçük alancıkdan oluşmakta ve aracın tavanı da dahil
olmak üzere tüm yüzeylerine kaldırma kuvveti
uygulanmıştır. Yazılımda kurulan algoritma gereği su
seviyesi üzerinde kalan alanlara kaldırma kuvveti etki
etmemektedir. Kaldırma kuvveti alan merkezinin su
seviyesinin altında kalması ile aktif hale gelmektedir.
Bu sayede aracın incelenen ağırlığı ve ağırlık merkezi
için durgun sudaki denge konumu belirlenmektedir.
Problemin çözümünde kullanılabilecek bir başka
yöntem de CFD yazılımlarının kullanılmasıdır. Bu
durumda da problemin çözümü için oldukça kompleks
modellerin kurulması gerekecek ve bu modellerin
çözüm süreleri de oldukça uzun olacaktır. Ayrıca araç
ağırlığında ve / veya ağırlık merkezinde yapılacak her
değişiklik için uzun çözüm süreleri ve yüksek çözücü
kapasitelerine ihtiyaç duyulacaktır.
Yukarıda anlatılan güçlükler nedeniyle aracın
yüzme stabilitesinin belirlenmesinde genel geçer
yöntemin dışında bir yöntemin kullanılmasının daha
uygun olduğuna karar verilmiştir.
Yukarıdaki temel metodoloji ile hazırlanan stabilite
modeli tamamen parametrik olarak hazırlanmıştır. Bu
sayede aracın çeşitli ağırlık ve ağırlık merkezlerindeki
su üzerindeki denge konumu kolayca bulunmuştur.
Ayrıca sadece su yoğunluğu değiştirilerek aracın
kullanılacağı deniz suyu yoğunluğundaki denge
2. YÖNTEM
Yukarıda
bahsedilen
uygulama
zorluklarından
2
pozitif stabiliteye sahip olması gerekmektedir. Ancak
burada önemli olan şekil 3’ de de görülen metasantır
(M) ve ağırlık merkezi (G) arasındaki Z mesafesidir. Z
mesafesi arttıkça aracın stabilitesi de artmakta ve
alabora olma eğilimi azalmaktadır. [1,2]
konumu da bulunabilmektedir.
Çalışmanın ilerleyen safhalarında ise aracın sadece
durgun sudaki dengesinin bilinmesinin amfibiklik
tasarımı için yeterli olmadığı anlaşılmıştır. Amfibik bir
aracın yüzme performansının belirlenmesindeki bir
diğer parametre ise aracın alabora olma veya devrilme
eğiliminin belirlenmesidir. Bu eğilim aracın metasantır
noktasının bulunması ile ortaya çıkarılabilecektir.
Teorik olarak metasantır noktası, aracın 0 ile 7 derece
arasındaki gövde açılarındaki hareketlerindeki ani
dönme merkezidir. [1,2,4] Alabora olma eğiliminin
azaltılması ve araç stabilitesinin arttırılması için
metasantır noktası (M) ile ağırlık merkezi (G)
arasındaki Z mesafesinin mümkün olduğunca büyük
olması gerekmektedir. [1,2]
Literatürde deniz araçlarının tamamı için
sağlanması gereken minimum Z mesafeleri verilmiştir.
Ayrıca deniz araçlarında sağlanması gereken minimum
fribord (su üzerinde kalan yükseklik) değerleri de
standartlar ile belirlenmiştir. [1,3]
Daha önce de bahsedildiği gibi amfibik araçlarla
ilgili yayınlanmış herhangi bir çalışma veya standart
bulunmamaktadır. Dolayısıla aracın Z mesafesi ile
herhangibir tasarım limiti literatürde ve standartlarda
bulunmamaktadır. Aracın karadaki hareketinin
incelenmesi sırasında ağırlık merkezinin yüksekliği
önemli bir parametre olarak dikkate alınmış, mümkün
olduğunca yere yakın hale getirilmeye çalışılmıştır.
Yüzme stabilitesinin arttırılabilmesi için ise
yapılabilecek tek şey aracın metasantır (M) noktasının
yukarıya çekilmesidir, bu da aracın firibordunun
arttırılması ile mümkün olabilmektedir. Bu amaç
gövdesinin çeşitli bölgelerine ek hacimler eklenmiştir.
Şekil 3’ de şematik bir araç üzerinde metasantır
noktasının tanımı gösterilmiştir.
3. SİMÜLASYON SONUÇLARI
Yukarıda anlatılan yöntem ile oluşturulan model ile
aracın çeşitli ağırlık ve ağırlık merkezlerindeki su
üzerindeki yüzme dengesi bulunmuştur. Bu özette
aracın en kritik durumu olan tatlı suda yüzme durumu
üzerinde durulmuştur.
Şekil 4’ de tam yüklü araç için yapılan yüzme
dengesi simülasyonu sonucunu ile aynı ağırlık ve
ağırlık
merkezindeki
aracın
sudaki
dengesi
görülmektedir.
Şekil 3. Metasantır kavramının şematik
gösterimi [2]
Metasantır(M) noktasının ağırlık merkezi (G) ile
ilişkisine bağlı olarak araç stabilitesi 3 farklı hal
almaktadır. [1,2]
•
•
•
Negatif stabilite:
Metasantır noktasının
ağırlık merkezinden daha aşağıda olma
durumu
Nötr stabilite: Metasantır noktasının ağırlık
merkezi ile çakışması durumu
Pozitif stabilite: Metasantır noktasının ağırlık
merkezinden daha yukarıda olma durumu
Şekil 4. Tam yüklü aracın durgun sudaki dengesi
test – simülasyon karşılaştırması
Şekilden de görüldüğü gibi test ve analiz arasındaki
uyum oldukça iyi bir durumdadır. Aracın fribordu (su
Aracın iyi bir stabiliteye sahip olabilmesi, dalga ve
rüzgar gibi etkenler dolayısıyla alabora olmaması için
3
konusunda herhangi bir problemle karşılaşılmadığı
görülmüştür. Bu sayede gelecek amfibik araç
tasarımlarında kullanılabilecek minimum metasantır
noktası için bir hedef değer daha oluşturulmuştur.
üzerinde kalan kısmın yüksekliği) doğru olarak tahmin
edilebilmiştir.
Aynı model kullanılarak aracın değişik ağırlık ve
ağırlık merkezlerindeki yüzme denge konumları da
belirlenmiştir. Benzer mantık ile araç gövdesinin çeşitli
yerlerden yaralanması ve su alması durumundaki
yüzme dengesi de belirlenmiştir. Aşağıdaki şekillerde
aracın çeşitli yerlerden yaralanması durumundaki
yüzme denge konumları görülmektedir.
Şekil 5. Aracın arka kısmından 1000 kg su alması
durumunda durgun sudaki denge konumu
Şekil 7. Tam yüklü araç metasantır noktası konumu
Stabilite için hazırlanan model kullanılarak aracın
bir çıkarma gemisinden suya girişi de simüle
edilebilmiştir. Bu yolla aracın bir çıkarma gemisinden
suya girişi için gerekli minimum rampa boyu ve rampa
açısı da belirlenmiştir. Bu sayede aracın operasyonel
olarak görev yapabileceği çıkarma gemisinin özellikleri
de tasarım aşamasında ortaya konmuştur.
Şekil 6. Aracın burun kısmından 500 kg su alması
durumunda durgun sudaki denge konumu
Yukarıda anlatılan metasantır noktasının da hesabı
aynı model üzerinden yapılmıştır. Oluşturulan modele
uygulanan kuvvet ile şekil 10’ da görüldüğü gibi açı
yapması sağlanmıştır. Gövdenin meyil etmesi
sırasındaki meyil açısı ve ağırlık merkezi yanal
hareketi ölçülmüş, oluşan üçgenden metasantır (M)
noktasının konumu hesaplanmıştır. Şekil 7’ de
metasantır noktasının konumu görülmektedir.
3. SONUÇ
Yapılan çalışma ile bir amfibik aracın su üzerindeki
dengesinin ve sudaki stabilitesinin katı cisim mekaniği
yazılımları kullanılarak hesaplanabileceği ortaya
konmuştur.
Bu sayede tasarım sürecinde aracın
amfibikliğinin
geliştirilmesine
önemli
katkılar
sağlanmıştır. Kullanılan yöntemin basitliği nedeniyle
hem modelleme hem de çözüm zamanından önemli
tasarruf sağlanmıştır. Ayrıca hazırlanan model
tamamen parametrik olduğundan ağırlık, ağırlık
merkezi ve su yoğunluğunun etkileri çok kısa sürede
görülebilmiş, tasarım sırasında araç gövdesi üzerinde
yapılan iterasyonlar modele kolayca uygulanmış ve
sonuçları kısa sürede görülmüştür.
Yukarıda da anlatıldığı gibi amfibik araçların
stabilite kriterleri ile ilgili herhangibir standart ve alt
limit bulunmamaktadır. Bu yüzden, elde edilen
metasantır değerinin yeterli seviyede olup olmadığının
anlaşılması için başka bir referans değere ihtiyaç
duyulmaktadır. Bu amaçla Otokar tarafından daha önce
tasarımı
yapılmış
ve
amfibik
kullanımında,
stabilitesinde bir problem bulunmayan başka bir araç
için Z mesafesi hesaplanmıştır. Yeni araç için bulunan
Z değerinin en az mevcut araç Z değeri kadar olması
bir tasarım hedefi olarak ortaya konmuş ve bu amaç
için gerekli iyileştirmeler yapılmıştır. Yapılan testlerde
ve müşteri kullanımı sonucunda aracın istenilen
amfibik görevleri yerine getirebildiği, stabilite
KAYNAKLAR
1.
4
Anthony F. Molland, Maritime Enginnering
Referance Book, , ISBN:978-0-7506-8987-8
2.
3.
4.
5.
Prof. Dr.Metin Taylan, ITU Gemi İnşaatı
Fakültesi Hidrostatik ve Stabilite Eğitim
Notları
Türk Loydu Stabilite Hesapları
Determining The Metacentric Height Of A
Floating Body
01.12.2013 www.brighthubengineering.com/n
ala-architecture/116428-determining-themetacentric-height-of-a-floating-body/
S.C.Gupta, Fluid Mechanics And Hydraulic
Machines, ebook ISBN-13: 978-81-3177490-8
5
Download

amfibik bir askeri aracın sudaki stabilitesinin incelenmesi