GL ShipLoad für Festigkeitsanalysen von Containerschiffen

EXTRA Photo: Fotolia GL ShipLoad für Festigkeitsanalysen von Containerschiffen von Dr. Jörg Rörup, Dr. Thomas E. Schellin und Helge Rathje (Germanischer Lloyd, Hamburg) nonstop 01/2009 35 EXTRA Einführung Überblick S eit einigen Jahren stützt sich die Dimen- sionierung von komplexen Schiffsstruk- turen auf Finite-Elemente (FE)-Analysen des gesamten Schiffes [1–3]. Im Gegensatz zu dem traditionellen, auf Regeln und Formeln basierenden Entwurf besteht hier die Möglich- keit, direkt berechnete Lasten zu verwenden. Die benutzerfreundliche Software GL Ship- Load wurde entwickelt, um realistische Lasten für eine globale FE-Analyse von Container- schiffen effizient zu erzeugen [4, 5]. Basierend auf dem Entwurfswellen-Konzept findet diese Software die für die Bemessung der Schiffs- strukturen relevantesten Lastkombinationen. Hydrodynamische Berechnungen für reguläre Wellen führen zu welleninduzierten Drücken und Schiffsbeschleunigungen. Die strukturellen Beanspruchungen resul- tieren aus der Massenbeschleunigung (Träg- heitslasten) und aus externen wellenindu- zierten Drücken. GL ShipLoad bietet Hilfe bei der Modellierung der Massenverteilung von Leerschiffsgewicht und Ladung, bei der Be- rechnung der hydrostatischen und hydrodyna- Photo: Fotolia mischen Drücke sowie bei der Erzeugung aus- geglichener, quasi statischer Lastfälle. Über benutzerdefinierte Auswahlkriterien wie z.B. das vertikale Biegemoment oder das Torsionsmoment werden die kritischen Wel- lensituationen für die globale Festigkeitsana- fall zusammenzustellen lyse ausgewählt. Anhand der Entwurfslastfälle, 4. Erzeugung des hydrostatischen Gleichgewichts die in den „Guidelines for Strength Analysis for für diesen Ladefall Ship Structures with the Finite Element Me- 5. Lineare Berechnung der Schiffsbewegungen und thod“ [2] beschrieben sind, werden die Hüll- -beschleunigungen kurven für Biege- und Torsionsmomente nach 6. Berechnung von welleninduzierten Drücken unter Bauvorschrift angenähert. Berücksichtigung nicht linearer Korrekturen Um die Entwurfslastfälle zu finden, wird 7. Erzeugung des dynamischen Gleichgewichts für eine große Anzahl von Wellensituationen ana- das FE-Modell lysiert. Die Rollbewegung trägt maßgeblich 8. Systematische Analyse verschiedenster Wellen- zum dynamischen Torsionsmoment, insbeson- situationen dere im Bereich der vorderen Laderäume [6], 9. Auswahl der kritischen Entwurfslastfälle bei und muss daher hinsichtlich der Verschie- 10. Durchführung der strukturellen Festigkeits- bung der Lukendeckel und der Beanspruchung analyse mit diesen Entwurfslastfällen der Lukenecken berücksichtigt werden. Die Erstellung einer strukturellen Festig- keitsanalyse auf dieser Grundlage umfasst fol- gende Arbeitsschritte [5]: Überblick Das anwenderfreundliche Tool GL ShipLoad er- 1. Generierung eines FE-Modells, das die möglicht es, auch ohne detaillierte hydrodyna- globalen strukturellen Eigenschaften des mische Fachkenntnisse alle notwendigen Schritte ganzen Schiffes erfasst zur Lastfallgenerierung durchzuführen. 2. Auswahl von zwei kritischen Ladefällen, in der Der hydrodynamische Teil von GL ShipLoad Regel sind es das maximale und das minimale (schematisch in Abb. 1 dargestellt) beginnt mit Hogging-Glattwassermoment der Anwendung einer linearen Streifenmethode, 3. Verteilung von Massen auf das FE-Modell, um um Schiffsbeschleunigungen und wellenindu- Ladung und Verbrauchsgüter zu einem Lade- zierte Drücke für das Schiff bei konstanter Vor- 36 nonstop 01/2009 EXTRA Lastgruppen ABBILDUNG 1. Eine lineare Streifenmethode liefert Hydrodynamische Schiffsbewegungen Schiffsbeschleunigungen und welleninduzierte Arbeitsschritte in Drücke in regulären Wellen. GL ShipLoad. Für Lasten in regulären Wellen erfolgt eine Welleninduzierte Lasten Anpassung der hydrodynamischen Drücke an realistische Wellenkonturen. Die Bestimmung der Entwurfsamplitude erfolgt Entwurfsamplitude auf Basis der vertikalen Biegemomente nach Vorschrift. Unterschiedliche Seegangssituationen werden Seegangsanalyse systematisch analysiert. Eine kleine Anzahl an Wellensituationen wird Lastfallauswahl für die strukturelle FE-Analyse ausgewählt. SPANTAUSFALL. Typische Ausprägung im Vor- und Hinterschiff. wärtsgeschwindigkeit in regulären Wellen von ausgeglichene Gesamtbelastung des FE-Mo- unterschiedlicher Länge und Richtung zu er- dells sichergestellt. halten. Hydrodynamische Drücke werden dann an die Wellenkontur mit realistischen Amplitu- den angepasst, um u. a. die Auswirkungen von Lastgruppen großem Spantausfall im Vor- und Hinterschiffs- Jeder Lastfall, der für das FE-Modell aufberei- bereich zu berücksichtigen. Das führt zu nicht tet wird, ist eine Kombination von Lastgrup- linear korrigierten Pseudoübertragungsfunk- pen, um eine effiziente Speicherung zu ermög- tionen der hydrodynamischen Drücke in ver- lichen. Alle Lasten werden in die folgenden schiedenen Wellenhöhen. Als Nächstes werden Gruppen aufgeteilt: diese Drücke integriert. Zusammen mit den 1. Hydrostatische Auftriebslasten Trägheitskräften ergibt sich die gesamte globa- 2. Statische Gewichtslasten le Belastung der Schiffsstruktur. 3. Statische Tanklasten Entwurfswellenamplituden werden ermit- 4. Sechs trägheitsbedingte Lastgruppen in den telt, um eine Übereinstimmung mit den Biege- drei translatorischen und den drei rotato- momenten nach Vorschrift zu erhalten. Aus ei- rischen Richtungen für alle Massen mit Aus- ner großen Anzahl von Wellensituationen, cha- nahme der Tanks rakterisiert durch eine systematische Variation 5. Sechs trägheitsbedingte Lastgruppen in den der Wellenrichtung, -länge und -phase, wird drei translatorischen und den drei rotato- eine kleinere Anzahl von regulären Entwurfs- rischen Richtungen für alle Tankmassen wellen ausgewählt, die die Schiffsstruktur den 6. Eine hydrodynamische Lastgruppe für jede maximalen Belastungen aussetzt.