Schiffsdesign - Virtuelle Erfahrung für Marineschiffe
Moderne Schiffsentwürfe stützen sich zunehmend auf anspruchsvolle Simulationen. Traditionell sind Schiffsentwürfe stark erfahrungsbasiert. Das ist zum Teil immer noch so, doch zunehmend wird auf »virtuelle Erfahrung« gesetzt, die aus gezielt eingesetzten Simulationen stammt.Anwendungsbreite und Anspruch dieser Simulationen, auf die sich Entscheidungen im Entwurf und Einsatz von Schiffen stützen, haben sich in den letzten zehn Jahren dynamisch entwickelt.
Finite-Element Analyse (FEA)
FEA für globale Festigkeitsanalysen unter der Annahme einer linear-elastischen Materialverformung sind seit vielen Jahren Standard. Diese linear-elastischen Analysen sind heute Ausgangspunkt für anspruchsvollere Analysen, zum Beispiel Analysen zur Betriebsfestigkeit oder Grenztragfähigkeit.
Bis 1998 betrafen die SOLAS (International Convention for the Safety of Life at Sea) ‑ Vorschriften zur Leckstabilität nur Frachtschiffe über 100 m Länge. Danach wurde der Grenzwert auf 80 m Länge für Neubauten gesenkt. Zusätzliche Schotte zur Erfüllung der Leckstabilität sind teuer und behindern häufig den Umschlag.Die neuen SOLAS-Vorschriften erlauben hier für einige Schiffe alternative Schottanordnung, vorausgesetzt, dass ein zumindest »gleichwertiger« Sicherheitsstandard erzielt wird.Diese Formulierung öffnet die Tür für alternative Entwürfe, bei denen die gleichwertige Sicherheit mit Hilfe von Simulationen nachgewiesen werden kann. Beispielsweise kann eine Konstruktion mit erhöhtem Kollisionswiderstand die Wahrscheinlichkeit für ein Leck der inneren Hülle ausreichend verringern, um zusätzliche Schotte zu vermeiden. Nach umfangreichen, systematischen FEA-Simulationen für Schiffskollisionen hat der Germanische Lloyd eine erste derartige Richtlinie für die Bewertung und Genehmigung alternativer Ausführungen entwickelt (Abb.2). Die Grundlage der Genehmigungsprozedur ist der Vergleich der kritischen Verformungsenergie im Falle einer seitlichen Kollision zwischen einem Basisentwurf, der die klassische SOLAS-Vorschrift erfüllt, und einer speziell verstärkten Konstruktion.
Finite-Element Analysen erfordern die Vorgabe von externen Lastkräften,bei Schiffen zum Beispiel hydrostatische und hydrodynamische Lasten.Die Software GL. Ship- Load unterstützt eine effiziente Generierung der entsprechenden Eingabedateien für verschiedene Lastfälle bei globalen Strukturanalysen. Dazu erforderliche hydrostatische und hydrodynamische Berechnungen sind im Programm integriert. Durch rechnergestützte Auswahl kritischer Lastfälle wird zudem der Gesamtrechenaufwand zur sicheren Dimensionierung der Konstruktion intelligent reduziert.
Quelle: MarineForum 9-2009
SCHIFFSDESIGN
VIRTUELLE ERFAHRUNG FÜR MARINESCHIFFE
Karsten Fach/Volker Bertram häufig den Umschlag. Die neu-
en SOLAS-Vorschriften erlau-
M oderne Schiffsentwürfe stützen sich
zunehmend auf anspruchsvolle Si-
mulationen. Traditionell sind Schiffsent-
ben hier für einige Schiffe alter-
native Schottanordnung, vo-
rausgesetzt, dass ein zumindest
würfe stark erfahrungsbasiert. Das ist zum »gleichwertiger« Sicherheits-
Teil immer noch so, doch zunehmend wird standard erzielt wird. Diese For-
auf »virtuelle Erfahrung« gesetzt, die aus ge- mulierung öffnet die Tür für al- Abb. 3: Globale Vibrationsanalyse
zielt eingesetzten Simulationen stammt.An- ternative Entwürfe, bei denen
Abb.4: Lokale Vibrationsanalyse für ein Deck
wendungsbreite und Anspruch dieser Simu- die gleichwertige Sicherheit mit
lationen, auf die sich Entscheidungen im Hilfe von Simulationen nach-
Entwurf und Einsatz von Schiffen stützen, gewiesen werden kann. Bei-
haben sich in den letzten zehn Jahren dyna- spielsweise kann eine Konstruk-
misch entwickelt. tion mit erhöhtem Kollisions-
widerstand die Wahrscheinlich-
Finite-Element Analyse (FEA) keit für ein Leck der inneren
Hülle ausreichend verringern,
FEA für globale Festigkeitsanalysen unter um zusätzliche Schotte zu ver-
der Annahme einer linear-elastischen Ma- meiden. Nach umfangreichen,
terialverformung sind seit vielen Jahren systematischen FEA-Simulatio-
Standard. Diese linear-elastischen Analysen nen für Schiffskollisionen hat
sind heute Ausgangspunkt für anspruchs- der Germanische Lloyd eine erste derartige Zusatzmassen. Die hydrodynamischen Zu-
vollere Analysen, zum Beispiel Analysen zur Richtlinie für die Bewertung und Genehmi- satzmassen berücksichtigen den Effekt des
Betriebsfestigkeit oder Grenztragfähigkeit gung alternativer Ausführungen entwickelt angrenzenden Wassers und hängen von der
(Abb. 1). (Abb. 2). Die Grundlage der Genehmigungs- Schwingungsfrequenz ab. Man kann sie
Bis 1998 betrafen die SOLAS (Internatio- prozedur ist der Vergleich der kritischen Ver- mit viel Erfahrung abschätzen oder auch
nal Convention for the Safety of Life at Sea) formungsenergie im Falle einer seitlichen nach vorhergehenden hydrodynamischen
– Vorschriften zur Leckstabilität nur Fracht- Kollision zwischen einem Basisentwurf, der Analysen berechnen. Auch für viele loka-
schiffe über 100 m Länge. Danach wurde der die klassische SOLAS-Vorschrift erfüllt, und le Vibrationsanalysen (Abb. 4) müssen Zu-
Grenzwert auf 80 m Länge für Neubauten einer speziell verstärkten Konstruktion. satzmassen berücksichtigt werden, näm-
gesenkt. Zusätzliche Schotte zur Erfüllung Finite-Element Analysen erfordern die lich immer dann, wenn Teile der Struktur
der Leckstabilität sind teuer und behindern Vorgabe von externen Lastkräften, bei Schif- an Flüssigkeiten grenzen (Tanks, Außen-
fen zum Beispiel hydrostatische und hydro- haut). Aufgrund der hohen Eigenfrequen-
dynamische Lasten. Die Software GL.Ship- zen müssen die FEA-Modelle bei lokalen
Load unterstützt eine effiziente Generierung Vibrationsanalysen detailliert sein und die
der entsprechenden Eingabedateien für Biegesteifigkeiten der Bauteile im Modell
verschiedene Lastfälle bei globalen mit erfassen.
Strukturanalysen. Dazu erforderliche
Abb. 1: hydrostatische und hydrodynamische Akustik
Globale Festig- Berechnungen sind im Programm in-
keitsanalysen: tegriert. Durch rechnergestützte Auswahl Für hohe Frequenzen (Körperschallbe-
Rechennetz und Spannungen kritischer Lastfälle wird zudem der Gesamt- reich) führt der übliche FEA Ansatz der Vi-
für eine Fregatte (Grafiken: GL)
rechenaufwand zur sicheren Dimensionie- brationsanalyse zu massiv hohen Anforde-
Abb. 2: Nichtlineare FEA-Simulation für die Kol- rung der Konstruktion intelligent reduziert. rungen an die Rechnerleistung. Die Model-
lision zweier Schiffe lierung eines typischen Passagierschiffs für
Vibrationsanalysen Frequenzen bis zu 1.000 Hz würde zu meh-
reren Millionen Freiheitsgraden führen.
Der Fortschritt in rechnergestützten Me- Hier kommen daher Verfahren zum Einsatz,
thoden hat dreidimensionale Finite-Ele- die die akustische Energie betrachten und
ment Analysen zum Standardwerkzeug bei deren Ausbreitung in der Struktur mit fini-
der Beurteilung von Schiffsvibrationen ten Elementen effizient modellieren. Dies
werden lassen (Abb. 3). Die Berechnungen ist die Grundlage für die Software GL Noi-
erfordern dabei die Vorgabe von Massen- seFEM (Abb.5). Der Vergleich mit Messun-
und Steifigkeitsverteilungen vom Benut- gen an der Großausführung zeigt dabei, dass
zer. Die Massen berücksichtigen das Schiff, GL NoiseFEM praktisch ausreichend den
seine Ladung und die hydrodynamischen Körperschall für Frequenzen von 80 Hz bis
MARINEFORUM 9-2009 11
neare Simulationen im Zeit- meist vereinfacht im Modell durch geeigne-
bereich werden dagegen er- te axiale und radiale Volumenkräfte erfasst.
forderlich, wenn große Be- Diese Vorgehensweise ist viel schneller als
wegungen (z.B. große Roll- ein direktes Erfassen der Propellergeome-
winkel) oder starke geome- trie, beeinträchtigt aber in der Regel die Ge-
trische Nichtlinearitäten wie nauigkeit der berechneten Ruderkräfte nur
Abb. 5: Berechnungsnetz und zum Beispiel bei U-Booten geringfügig (weniger als 1 Prozent). Die Vor-
berechneter Körperschall auf der an der Wasseroberfläche im gehensweise hat sich in vielen Projekten be-
benetzten Außenhaut Spiel sind. Sie empfehlen währt und kann in ähnlicher Form auch für
sich auch bei der Behand-
lung des Seeverhaltens von
Gleitbooten. Voll nichtline-
are Simulationen erfordern
massiven Rechnereinsatz
und erlauben bislang nur die Simu-
lation von relativ kurzen Zeiträumen (eini-
2.000 Hz ge Sekunden bis einige Minuten für die
berechnet. Die Ent- Großausführung).
wicklungen sind auf diesem Gebiet noch Intelligente Kombination von linearen
lange nicht abgeschlossen. Der Körperschall Methoden im Frequenzbereich und nicht-
auf der benetzten Außenhaut von Schiffen linearen Simulationen im Zeitbereich nut-
lässt sich bereits gut berechnen, dies ist eine zen die jeweiligen Stärken der einzelnen An-
notwendige Voraussetzung für die zuverläs- sätze aus. Eine lineare Analyse identifiziert
sige Prognose des abgestrahlten Unterwas- kritische Parameterkombinationen über
serschalls. Weitergehende Forschungs- und den Lebenszyklus eines Schiffes. Danach Abb.
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