Μελέτη αντοχής καλύμματος στομίου κύτους πλοίου χύδην φορτίου από σύνθετα υλικά

Κουτσούκος, Κωνσταντίνος; Koutsoukos, Konstantinos

dc.contributor.author	Κουτσούκος, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Koutsoukos, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2019-09-13T08:41:50Z
dc.date.available	2019-09-13T08:41:50Z
dc.date.issued	2019-09-13
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49217
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16837
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Κάλλυμα στομίου κύτους	el
dc.subject	Πλοίου χύδην φορτίου	el
dc.subject	Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων	el
dc.subject	Composites	en
dc.subject	Hatch cover	en
dc.subject	Bulk carrier	en
dc.subject	FEM	en
dc.subject	ANSYS	en
dc.title	Μελέτη αντοχής καλύμματος στομίου κύτους πλοίου χύδην φορτίου από σύνθετα υλικά	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ναυπηγική Τεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-05-24
heal.abstract	Στις μέρες μας τα σύνθετα υλικά έχουν εδραιώσει τη θέση τους στην βιομηχανία και η ανάπτυξή τους πραγματοποιείται με αυξανόμενο ρυθμό, καθώς όλοι οι βασικοί βιομηχανικοί τομείς υιοθετούν τα υλικά αυτά στις διάφορες κατασκευές ή τμήματα αυτών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η αυτοκινητοβιομηχανία, όπου τα αγωνιστικά αυτοκίνητα αποτελούνται κατά βάση από σύνθετα υλικά με ίνες άνθρακα. Ποικίλα παραδείγματα υπάρχουν και στην ναυπηγική καθώς το μεγαλύτερο μέρος των σκαφών αναψυχής αποτελούνται από σύνθετα με ίνες γυαλιού (fiberglass). Οι εφαρμογές επεκτείνονται στην αεροναυπηγική, τον αθλητισμό, αλλά και στον στρατό. Αίτια της ραγδαίας αύξησής της χρήσης τους αποτελούν το μειωμένο βάρος τους, η υψηλή μηχανική αντοχή τους και η αντοχή τους σε φθορά και διάβρωση, ενώ το βασικό μειονέκτημα τους εντοπίζεται στο υψηλό κόστος απόκτησής τους. Τα πρώτα βήματα χρήσης σύνθετων υλικών παρατηρούνται και στον χώρο της εμπορικής ναυτιλίας, όπου παρατηρούνται εφαρμογές που αφορούν τμήματα υπερκατασκευών, τμήματα καταστρωμάτων, σωληνώσεις, καλύμματα στομίων κυτών κ.α. Συγκεκριμένα, η χρήση σύνθετων υλικών για την κατασκευή καλυμμάτων στομίων κυτών από σύνθετα υλικά βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο με λίγες μελέτες να έχουν δημοσιευτεί πάνω στο θέμα, όπως και οι πρακτικές εφαρμογές πάνω σε πλοία. Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, μελετάται η επιλογή της αντικατάστασης των συμβατικών χαλύβδινων καλυμμάτων στομίων κυτών ενός πλοίου μεταφοράς χύδην φορτίου από καλύμματα κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά. Για τον σκοπό αυτό επιλέγεται η μελέτη ενός συγκεκριμένου χαλύβδινου καλύμματος, στην συνέχεια η σχεδίαση ενός καλύμματος από σύνθετα υλικά με τις ίδιες βασικές διαστάσεις και τέλος η σύγκριση των δύο με κριτήρια την μηχανική συμπεριφορά, το βάρος και το κόστος απόκτησής τους. Η προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς και η εξαγωγή αποτελεσμάτων αντοχής και ακαμψίας για τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν πραγματοποιήθηκε με την χρήση προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων, το οποίο επιτρέπει την επίλυση σύνθετων προβλημάτων, με περίπλοκες γεωμετρίες, που είναι αδύνατο να λυθούν με την αναλυτική μέθοδο. Η σχεδίαση ενός καλύμματος στομίου κύτους απαιτεί τον καθορισμό μεγάλου πλήθους παραμέτρων. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν και επιλύθηκαν πολλαπλά μοντέλα, έτσι ώστε να επιτευχθεί τελικά μία σχεδίαση που να ικανοποιεί τα κριτήρια αστοχίας και να οδηγεί σε αισθητή μείωση του βάρους σε σχέση με την κατασκευή από χάλυβα. Το πρώτο μοντέλο που αναπτύχθηκε και αναλύθηκε περιλαμβάνει ενίσχυση με τη μορφή σταθμίδων σε δύο διευθύνσεις. Για την επίτευξη επαρκούς ροπής αδράνειας και την ικανοποίηση των κριτηρίων αστοχίας αποδείχθηκε ότι είναι αναγκαία η τοποθέτηση μεγάλου αριθμού ενισχυτικών και συνεπώς, παρά την ικανοποιητική μηχανική συμπεριφορά της, το εκτιμώμενο βάρος της κατασκευής υπολογίζεται αυξημένο και συνεπώς δεν οδηγεί σε συμφέρουσα επιλογή. Η δεύτερη σχεδιαστική προσέγγιση περιλαμβάνει ενισχυτικά τύπου καπέλου κατά το εγκάρσιο του πλοίου. Στο πρώτο μοντέλο της προσέγγισης αυτής επιλέχθηκε η τοποθέτηση 6 ενισχυτικών ομοιόμορφου πάχους. Τα αποτελέσματά της δεν ήταν αποδεκτά, αλλά ανέδειξαν 5 τις περιοχές της γεωμετρίας στις οποίες απαιτείται ενίσχυση. Στην συνέχεια μελετήθηκε πλήθος μοντέλων στα οποία τοποθετήθηκε τοπική ενίσχυση με την μορφή τοπικής αύξησης του πάχους, διατηρώντας παράλληλα τον αριθμό των ενισχυτικών στα 6. Ενώ τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν βελτιωμένα, δεν πληρούσαν τα κριτήρια αστοχίας. Στα επόμενα μοντέλα που μελετήθηκαν επιλέχθηκε η αύξηση του αριθμού του ενισχυτικού σε 10 και η διατήρηση ομοιόμορφου πάχους σε όλη την έκταση της γεωμετρίας. Όμοια με προηγουμένως, τα αποτελέσματα της ανάλυσης δεν βελτιώθηκαν αρκετά, έτσι ώστε να κριθεί αποδεκτή η σχεδίαση. Η τελική αποδεκτή σχεδίαση επιτεύχθηκε με τον συνδυασμό των παραπάνω, δηλαδή με τοποθέτηση 10 ενισχυτικών και τοπική ενίσχυση με τη μορφή επιπρόσθετου πάχους στις κρίσιμες περιοχές. Στην τελική σχεδίαση τοποθετήθηκε επίσης μια κεντρική σταθμίδα κατά το εγκάρσιο προσομοιάζοντας την ένωση των εγκάρσιων πλευρών δύο όμοιων τμημάτων του καλύμματος. Με τον τρόπο αυτό εξετάστηκε η επιλογή διάσπασης του ενιαίου καλύμματος σε δύο επιμέρους τμήματα, έτσι ώστε να διευκολύνεται το άνοιγμα και το κλείσιμό του κατά την λειτουργία του πάνω στο πλοίο. Στο τέλος πραγματοποιείται σύγκριση αντοχής, βάρους και κόστους της τελικής σχεδίασης με το χαλύβδινο κάλυμμα αναφοράς ώστε να διαπιστωθεί το κατά πόσο είναι συμφέρουσα η αντικατάσταση του τελευταίου με κάλυμμα από σύνθετα υλικά.	el
heal.abstract	Nowadays composite materials have established their place in industry and they are growing with increasing pace, as all of the main industrial sectors have adopt composites and use them in plenty structures of parts of them. A typical example is the automotive industry, where many parts of racing cars consist of carbon fiber composite. There is a variety of examples in naval architecture, as well, as the majority of leisure boat is made of fiberglass. The applications expand to aeronautics, sports and military. The reason of this rapid growth is the reduced weight, the high mechanical strength as well as the wear and corrosion resistance, while their main disadvantage is their high construction cost. The first steps in the use of composite materials are also observed in the merchant marine sector, where application involving superstructures, parts of decks, piping, hatch covers e.t.c are observed. In particular, the use of composite materials for the construction of hatch covers is at an early stage where few studies are published as well as few practical applications on ships. In this diploma thesis, the option of replacing the conventional steel hatch cover of bulk carriers with hatch cover made of composite material is being considered. For this purpose, it is chosen to study a specific steel hatch cover, then to design a hatch cover made of composite materials with the same basic dimensions and finally to compare the two taking into consideration their mechanical behavior, their weight and their construction cost. The simulation of mechanical behavior and the extraction of strength and stiffness results for the developed models was accomplished with a program using finite element analysis, 6 which provides the capability of solving complex models with complex geometries the can not be solved with the use the analytical method. The design of a hatch cover required the definition of a large number of parameters. For this purpose, multiple models have been developed and solved so that a design that meets the failure criteria is achieved and leads to a noticeable weight reduction in relation to the steel construction. The first model that developed and solved includes the use of flat bar stiffeners in to directions. In order to achieve a sufficient moment of inertia and meet the failure criteria, it has been proven that a large number of stiffeners is necessary and therefore, despite its satisfactory mechanical behavior, the estimated weight of the construction is calculated to be increased and thus the specific design does not lead to an advantageous choice. The second design approach includes hat type stiffeners in the transverse direction of the ship. In the first model of this approach the placement of 6 stiffeners of uniform thickness was chosen. The results were not acceptable, but they highlighted the areas of geometry in with reinforcement is needed. Then, a number of models were considered where local reinforcement was applied in the form of local thickness increase, while maintaining the number of 6 stiffeners. Despite the fact that the results were improved, they did not meet the failure criteria. In the following models that were considered, the increase of the number of stiffeners to 10 was chosen, while maintaining the uniform thickness. Similar to previously, the results of the analysis were not improved enough to achieve an acceptable design. The final acceptable design was achieved by combing the above. In particular, 10 stiffeners were placed, combined with local reinforcement in the form of additional thickness on the critical areas. In the final design, a centered flat bar was also mounted simulating the joint of the transverse sides of 2 separate parts in order to facilitate hatch covers’ s opening and closing during the operation of the ship. Finally, the final design of the composite hatch cover and the steel hatch cover were compared in terms of strength, weight and cost in order to determine whether the replacement of the steel hatch cover with a composite one is advantageous.	en
heal.advisorName	Τσούβαλης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Ζαραφωνίτης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Σαμουηλίδης, Εμμανουήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θαλάσσιων Κατασκευών. Εργαστήριο Ναυπηγικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	110 σ.
heal.fullTextAvailability	true