Abgestimmte Solver reduzieren Testaufwand im Schiffbau

Die branchenspezifische Vertikalisierung der Standardlösung bietet einerseits eine den besonderen Problemen des Schiffbaus angepasste Vorgehensweise und andererseits die volle Flexibilität und Funktionalität des allgemeinen Preprozessor Patran:

  • schiffbauspezifische Anpassung von Geometrieverarbeitung und Vernetzung,
  • branchenspezifisch optimierte Eingabe- und Modelliermechanismen durch eine systematisierte, vereinfachte Geometrie- und Struktureingabe unter Einsatz eines Rastersystems, das als Modelliergerüst dient,
  • komfortable Informationseingabe zur Generierung von Eigenschaften,
  • verminderte Anzahl von Eingabedaten und Funktionalitäten, die den Generierungsprozess wesentlich vereinfacht und äußerst variabel hält,
  • optimale Übersicht und Nachvollziehbarkeit bei der Zuordnung von Bauteileigenschaften zu geometrischen Objekten
  • einfache Navigation durch die einmal erstellten Strukturen und Daten, basierend auf dem in Patran enthaltenen AMS-System zur baugruppenorientierten Modellierung und Navigation
  • hervorragende Eignung der eingelesenen CAD-Daten für die weitere FE-Analyse, die in GL.ShipModel automatisch mit den vorhandenen Rasterflächen verschnitten und entsprechend modifiziert werden

Weitere Anwendungsbeispiele für numerische Analysen aus dem Bereich Schiffbau sind die dynamische Untersuchung der Schiffsstruktur, Design- und Festigkeitsoptimierung der Schiffsstrukturen, Analysen von Verschleiß und Lebensdauer oder Crash-Simulationen. Ein immer wichtiger werdender Punkt bei der Simulation von Schiffen ist die Berechnung von Akustik in Verbindung mit Vibrationen.
Genau wie in anderen Industriesektoren werden auch die Schiffskonstrukteure von der deutlichen Tendenz zur Reduzierung der Geräuschpegel beeinflusst, um so den akustischen Komfort in all den Arealen zu gewährleisten, in denen sich Personen aufhalten. Aus diesem Grunde fordern Schiffseigner von den Werften, dass ihre Schiffe über optimale akustische Eigenschaften verfügen. Zudem gibt es unzählige gesetzliche Vorschriften und Landesschifffahrtsverordnungen zum Lärm- und Vibrationsschutz.
Weisen Versuchsmessungen darauf hin, dass ein neues Schiff nicht den Vorgaben entspricht, können hohe Kosten auf die Werft zukommen. Im besten Fall müssen Ingenieure zur Verbesserung des Schallschutzes eine oder mehr Kabinen neu konstruieren, indem sie Dämmmaterial, frei aufliegende Bodenbeläge oder schallisolierende Platten hinzufügen. Bei Kreuzfahrtschiffen und Sportbooten ist eine hohe Geräuschbelastung in den Kabinen schlichtweg inakzeptabel, da „geräuschintensive“ Kabinen nicht belegt werden können.
Aus diesen Überlegungen wird deutlich, dass es für eine Schiffswerft äußerst wichtig ist, im frühestmöglichen Stadium der Schiffskonstruktion dafür zu sorgen, dass die maximale Geräuschbelastung unter den vorgeschriebenen Grenzwerten bleibt. Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, sich auf moderne Simulationstechnologien zu stützen, mit denen die Geräuschpegel bereits am FE-Modell des Schiffs berechnet werden können.
Abgasanlagen und Maschinen eines Schiffes verursachen in der Regel die meisten Vibrationen, die dazu führen, dass in bestimmten Bereichen des Schiffs hohe Geräuschpegel entstehen. Der universale FE-Solver MSC Nastran enthält sämtliche Funktionen für die Simulation von Struktur und Akustik in einem einzigen Paket, so dass diese Zusammenhänge simuliert werden können. Mit Hilfe der Software kann der Vibrationsausbreitungsweg bestimmt und herausgefunden werden, welche Strukturen den größten Einfluss dabei ausüben.

Ursache für Resonanzen

Zudem können Ingenieure mit der Analyse der Schwingungsarten bei einer Fluid-Struktur-Kopplung herausfinden, ob die Resonanzen auf die Öffnungen zwischen Ober- und Unterdeck – beispielsweise für Treppen – zurückzuführen sind oder ob sie durch die Eigenschwingungen der Deckstruktur verursacht werden. Durch die Analyse der Einflussfaktoren in Bezug auf die Schwingungsart können diese Ergebnisse auch dabei helfen herauszufinden, welche Frequenzen gedämpft werden müssen und welche Strukturelemente mit zusätzlichem Material zu beschichten sind, damit die in der Struktur befindliche Energie über den gesamten Geräuschübertragungsweg hinweg abgegeben wird. Ein geeignetes Analysewerkzeug für solche Fluid-Struktur-Kopplungen ist Actran von MSC Software. Actran ist eine Akustiksoftwarelösung für die Berechnung akustischer, vibrationsakustischer und strömungsakustischer Probleme. Um die Wechselwirkungen zwischen den Schwingungen einer Konstruktion und dem angrenzenden Fluid zu untersuchen, muss das akustische Verhalten der beteiligten Komponenten der Konstruktion modelliert werden. Die umfangreiche Werkstoffbibliothek von Actran erweist sich hierfür als besonders wertvoll. Sie enthält Materialwerte für akustische oder viskoelastische Medien, poröse oder nicht komprimierbare Medien sowie für Verbundwerkstoffe.

Schiffsverlängerungen

Numerische Berechnungsverfahren kommen aber nicht nur bei der Neuentwicklung eines Schiffes zum Einsatz, sondern beispielsweise auch bei Schiffsverlängerungen. Neubau-Werften sind überall auf der Welt oft auf Jahre hinaus ausgebucht. Mit einer Schiffsverlängerung können Reedereien dank eines solchen Umbaus in kurzer Zeit über mehr Laderaum verfügen. Schiffsverlängerungen aller Schiffstypen – vom Frachtschiff bis zum Doppelhüllentankschiff – wurden bereits durchgeführt. Eine Schiffsverlängerung ist technisch recht einfach umzusetzen und ein vergleichsweise preisgünstiges und schnelles Verfahren, um zusätzlichen Laderaum zu erhalten.
Die dänische Schiffsarchitekturfirma Knud E. Hansen A/S hat eine Machbarkeitsstudie für eine der umfassendsten Verlängerungen in der Geschichte des Schiffbaus initiiert. Die Studie wurde von dem Unternehmen im Auftrag eines europäischen Schiffsbesitzers bei der Schiffsklassifikationsgesellschaft eingereicht und mithilfe der FE-Software von MSC Software durchgeführt.
In den Bau eines neuen, 240 Meter langen Schiffs zum Transport von Fahrzeugen und Passagieren müssen zwei Jahre Arbeit in der Werft und etwa 120 Millionen Euro investiert werden. Aufgrund dieser enormen Investitionen bei einem Neubau stellt die Umwandlung – und insbesondere die Verlängerung – von bestehenden Schiffen eine Alternative dar. Eine Verlängerung kann innerhalb von drei Monaten erfolgen. In diesem speziellen Fall bestand das Ziel von Knud E. Hansen darin, das bestehende Schiff um 65 Meter zu verlängern, von 175 auf 240 Meter. Dafür wurde das Schiff in zwei Teile zerlegt und die zusätzlichen 65 Meter im Mittelbereich eingesetzt.
Das gesamte Schiff wurde mit FE-Analysen untersucht, um die kritischsten Bereiche der Schiffverlängerung zu identifizieren und entsprechende konstruktive Lösungen zu liefern. Von besonderem Interesse waren die Belastungszustände des verlängerten Modells, unter denen sich die Schiffsmitte maximal nach oben oder unten biegt (Hogging und Sagging). Die am meisten belasteten Bereiche des Schiffs wurden dabei markiert und mit Punktdiagrammen dargestellt, um die wichtigsten Konstruktionsteile zu identifizieren.
„Mit Patran und MSC Nastran konnte das FE-Modell durch Importieren der Geometrie aus dem CAD-Modell problemlos erstellt werden. Diese komplexe Aufgabe ließ sich schnell analytisch lösen“, so Mirco Zoia, Naval Architect and Offshore Engineer bei Knud E. Hansen A/S. „Dank der Zuverlässigkeit der Software und der Erfahrung von Knud E. Hansen gestaltete sich die Einreichung der Berechnung bei der Klassifikationsgesellschaft problemlos und erfolgreich.“ jbi

Autorin: Syllvett Tsialos ist Marketing-Manager bei MSC Software in Münschen.

  • FE-Modell eines Schiffes, erstellt mit MSC Software.
  • Akustik- und Vibrationsanalyse von Propellerblättern.
  • Geräuschquellen bei Schiffen.
  • Schiffsverlängerung, berechnet von Knud E. Hansen A/S.
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