Konstruktion

Lastannahme

Dimensionierungsrelevante Lasten für die Stahlstruktur ergeben sich sowohl aus den globalen Bewegungen des Schiffes im Seegang als auch aus den lokalen Lasten für Vor- und Hinterschiff, welche sich aus kurzzeitigem Seeschlag ergeben. Beide Lastarten kann die FSG statisch und transient durch direkte Anwendung der physikalischen Gesetze berechnen, simulieren und anschließend durch eigene Schnittstellen als externe Randbedingungen auf Finite Elemente Modelle anbringen.

Diese Methoden sind so ausgereift, dass sie im Schiffsentwurf iterativ eingesetzt werden können. Durch umfangreiche Messungen, sowohl im Versuchskanal als auch während Probefahrten, werden alle Annahmen zu Belastungsrandbedingungen bestätigt. Ergebnisse derartiger Messungen und Berechnungen geben der Schiffsführung später eindeutige Hinweise zur Nutzung möglicher Fahrprofile in besonderen Umgebungsbedingungen. Weiterhin dienen sie der Identifizierung möglicher Potentiale für den Kunden, gezielt Investitionen zur Verbesserung der Schiffsstruktur einzusetzen.

Lasten aus Seeschlag
Extrem hohe, sowohl lokal und zeitlich beschränkte Belastungen sind bei der Dimensionierung einer widerstandsfähigen Stahlstruktur zu berücksichtigen. Klassifikationsgesellschaften haben für den Seeschlag zur Auslegung der Stahlstruktur empirische Gleichungen formuliert, die in vielen Fällen jedoch die Wirklichkeit nur unzureichend abbilden. Große Vorschiffs-Schäden nach nur wenigen Schiffsbetriebsjahren zeigen, dass die empirischen Ansätze regelmäßig an ihre Grenzen stoßen.

Die FSG nutzt in ihrer Schiffsentwurfssoftware deshalb konsequent die physikalischen Naturgesetze zur direkten Berechnung der Interaktion des Schiffes im umgebenden Medium. Als Eingangsgröße für voll viskose Lösungsalgorithmen dienen beobachtete oder wahrscheinlichkeitsverteilte Seegangsspektren mit den signifikanten Wellenhöhen des jeweiligen Fahrtgebietes. Diese Bedingungen werden auf kritische Parameter untersucht, deren Häufigkeit bestimmt und extrem kritische Ereignisse transient simuliert. Aussagen über mögliche Schadenswahrscheinlichkeiten und deren Lokalität sind so sehr sicher zu treffen, gezielte Investitionen in lokale Verstärkungen können deshalb durch die FSG angeboten werden.

Lasten aus Bewegungen im Seegang
Im Schiffsbetrieb dauernd stattfindende Bewegungen des Schiffes im Seegang erzeugen zeitlich und örtlich veränderliche Belastungen durch den Wasserdruck auf die Außenhautstruktur. Zusätzlich ist die gesamte Stahlstruktur den bewegungsinduzierten translatorischen und rotatorischen Beschleunigungen ausgesetzt. Diese Beschleunigungen werden in ihrer Wirkung durch das Regelwerk von Klassifikationsgesellschaften nur unzureichend berücksichtigt, da dort die komplexen Überlagerungen der Freiheitsgrade nicht abgebildet werden können.

Die Fähigkeit der FSG, lange Seegangsbewegungs-Simulationen im Zeitbereich auch in allen Freiheitsgraden als Randbedingung für ein Finite Elemente Modell zu nutzen, erlaubt die Identifizierung belastungskritischer Situationen und deren Auftretenshäufigkeit. Eine verstärkte Auslegung kritischer Strukturbereiche als zusätzlich gezielte Investitionen ist so durch den Kunden als Produktwertsteigerung bewertbar.

Betriebsfestigkeitsanalyse

Jedes Handelsschiff soll seinen Dienst über mindestens 20 Jahre zuverlässig verrichten. Es legt dabei unzählige Seemeilen auf den Ozeanen zurück, trifft auf große Wellen und Stürme und wird permanent durch den Seegang beansprucht. Damit das Schiff diesen Belastungen standhält, ist es notwendig, strukturelle Schwachstellen rechtzeitig zu erkennen und zu beheben.

Einige gefährdete Konstruktionsdetails sind bekannt und lassen sich beruhend auf Erfahrungen bewerten. Andere Stellen erfordern jedoch genauere Untersuchungen, da sie von Fall zu Fall zu verschieden sind, um sie verallgemeinert zuverlässig zu bewerten.

Typische Schwachpunkte in schiffbaulichen Stahlkonstruktionen sind Kreuzungen von Rahmen, Ausschnitte in Profilen und Platten, der Übergang vom Schiffsrumpf in das Deckshaus sowie, mikroskopisch betrachtet, sämtliche Schweißnähte. Für solche Stellen werden bei der FSG Computermodelle erstellt, mit denen sich die Beanspruchungen dieser Konstruktionen ermitteln lassen. Die Ergebnisse lassen sich über verschiedene Statistiken auf die gesamte Betriebszeit des Schiffes projizieren, so dass zuverlässige Aussagen über die Lebensdauer der Konstruktion getroffen werden können. Dabei wird unterschieden, ob es sich um Belastungen aus dem Seegang, aus Lade- und Löschzyklen, oder etwa aus dem Motor und dem Propeller handelt.

Durch diese umfangreichen Berechnungen wird sichergestellt, dass der Betrieb des Schiffes ohne außerplanmäßige Unterbrechungen durch Reparaturen gewährleistet werden kann.

Maschinenvibrationen

Der Komfort für Menschen an Bord hat bei der FSG einen sehr hohen Stellenwert. Deshalb sind die von den Antriebsmaschinen ausgehenden Vibrationen möglichst gering zu halten. Die Hauptmaschinen werden zwar vom Hersteller unter Prüfstand-Bedingungen getestet, zeigen aber prinzipiell auf der späteren strukturellen Schiffsfundamentierung ein abweichendes Schwingungsverhalten. Dieses Muster kann vom Motorhersteller allein nicht vorhergesagt werden.

Um bereits im Entwurfsstadium des Schiffes verlässliche Aussagen über die im Antriebsbereich erregenden freien Kräfte und Momente zu treffen, wird bei der FSG das dynamische Verhalten des Gesamtsystems von Hauptmaschine und Fundamentierung im Schiff simuliert. Dazu werden über eine Fourier-Analyse im Nenndrehzahlbereich alle Zylinderdrücke in Kenntnis der Lagerungssteifigkeiten, der Motorgeometrie sowie Zündreihenfolge so zerlegt, dass sie in einem Finite Elemente Rechenmodell als harmonische Kraft-Randbedingungen an den Beanspruchungsorten wirken können. In der phasenrichtigen Überlagerung aller berechneten Strukturreaktionen ist dann erkennbar, ob spezifizierte Grenzwerte überschritten werden.

Dabei werden sowohl mögliche schwingungskritische Bereiche im Schiff aufgedeckt, als auch ungünstige Strukturreaktionen der Hauptmaschine selbst erkennbar. Ist dies der Fall, so kann bereits vor Angebotsabgabe die strukturelle Impedanz-Abstimmung in den Hauptmaschinen-Fundamentierungen angepasst werden oder auch durch motorseitige Maßnahmen entgegengewirkt werden. Auf diese Weise wird in Zusammenarbeit mit dem Motorhersteller das Gesamtverhalten des Antriebssystems in der Einbausituation abgestimmt. Zeit- und kostenintensive Modifikationen während der Bauphase oder Inbetriebnahme werden so vermieden.

Schiffsvibrationen

Der Passagier- und Crewkomfort ist uns extrem wichtig. Einen wesentlichen Anteil am Komfort und der Arbeitssicherheit haben die auf den Menschen einwirkenden Vibrationen. Deshalb wird größter Wert darauf gelegt, diese Einflüsse auf den Menschen so gering wie möglich zu halten.

Vibrationen werden hauptsächlich durch die Antriebsaggregate sowie die Propeller erzeugt. Mit modernsten Softwaretools, welche zum größten Teil bei uns selbst entwickelt werden, wird bereits während der Angebotsphase das Vibrationsverhalten des Schiffes überprüft. Aus einem globalen FE-Modell ist ersichtlich, ob an bestimmten Stellen zulässige Grenzwerte überschritten werden. Ist dies der Fall, so können bereits vor Angebotsabgabe strukturelle Modifikationen durchgeführt werden oder z.B. die Anforderungen an den Propellerhersteller bezüglich zulässiger Druckimpulse genau spezifiziert werden. Dies verhindert zeit- und kostenintensive Modifikationen während der Konstruktions- oder Bauphase.

Ein Beispiel für das hervorragend geringe Vibrationsverhalten ist der Neubau 748, die „Northern Expedition“ für BC Ferries, welche nach den strengst möglichen Vibrationsanforderungen der amerikanischen Klassifikationsbehörde ABS, „Comfort+“, zertifiziert wurde.

Schwingungsberechnung

Wesentlicher Bestandteil des Schiffsentwurfes sind Untersuchungen zum Schwingungsverhalten der Stahlstruktur im niederfrequenten Bereich. Hier reagiert der Mensch an Bord sehr empfindlich, insbesondere auf Vertikalschwingungen im Resonanzbereich der Wirbelsäule und des Unterkiefers.

Verursacht werden diese potentiell unangenehmen Schwingungen durch propellerinduzierte Druckschwankungen und Hauptmaschinenerregungen. Die zur Berechnung erzwungener Schwingungen zugrunde liegende FE-Modellgenerierung und  Modalanalyse wird für die schiffbauliche Stahlstruktur im Wesentlichen beherrscht, ein großer Unsicherheitsfaktor ist jedoch der Einfluss der das Schiff im Betriebszustand umgebenden Wassermasse. Die FSG hat derzeit zwei umfangreiche Methodiken zur Auswahl, diesen Einfluss rechnerisch abzubilden.

Finite Boundary Element Methode (BEM)
Die FSG ist durch Kooperation mit der Universität Rostock in der Lage, das umgebende Wasser als Fluid mit seiner Massenträgheitswirkung an dünnwandigen Strukturen abzubilden. Dazu wurde ein spezieller FE-Boundary-Element Gleichungslöser bei der FSG integriert, welcher als Ergebnis alle komplexen Massenträgheits-Interaktionen der in einer geschwindigkeitsabhängigen Wellenbild-Situation benetzten FE-Knoten liefert.

Die Modellierung einer hinreichend großen verformten Wasserfläche in der Umgebung des Schiffes mit dem zugehörigen ‚Abdruck’ des Schiffes im Wasser reicht aus. Der Abstand des Schiffes zum Gewässerboden ist ebenfalls abbildbar. Diese Interaktion wird als Parameterfeld für die Modalanalyse benutzt und ist somit auch Bestandteil der erzwungenen globalen Schwingungsrechnung. Durch umfangreiche Messungen von Eigenschwingungen während Werftprobefahrten konnten bereits bei vielen Neubauten die Vorausberechnungen des Stahlentwurfes für Schwingungsniveaus bestätigt werden. Auf diese Weise kann bereits im Vorentwurfsstadium die Einhaltung spezifizierter oder klassifikationsrelevanter Grenzwerte abgesichert werden.

Direkte Fluidmodellierung (Akustik Fluid-Elemente)
Moderne FEM-Softwarepakete sind mittlerweile in der Lage, durch spezielle Finite Elemente ein Fluid-Volumen abzubilden. Die FSG bedient sich hierzu in Zusammenarbeit mit einem Distributeur an der Erfahrung nicht-schiffbaulicher  Disziplinen, insbesondere der Akustik. Die FSG kann durch vollständige Integration der Softwarepakete ANSYS und CFX in den eigenen Schiffsentwurf diese Situation modellieren und in ein lösbares Rechengitter überführen. Dabei werden für verschiedene Ladefälle die bidirektionalen Randbedingungen aller relevanten Freiheitsgrade und Druckkopplungen an der Grenzschicht zwischen Seewasser und Schiffsstruktur  berücksichtigt und automatisiert generiert. Die Grenzschicht des Wassers zur umgebenden Luft wird ebenfalls abgebildet.

Alle Bestandteile einer globalen Modalanalyse werden in einem einzigen Rechenmodell vereint und sind somit leicht kontrollierbar.