Simulationssystem: Wie der Schiffbau eine Kehrtwende schafft

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Auch die Schifffahrt steht unter dem Druck, Emissionen zu reduzieren. Wie sich mit aktuellen Simulationsansätzen bessere Schiffe entwickeln lassen.

Simulationssystem für eine gesündere Umwelt? Die Schifffahrt verursacht mindestens 2,4 Prozent der weltweiten Emissionen. Darauf reagieren auch die Zulassungsbehörden. Als Ergebnis hat die Internationale Seeschifffahrtsorganisation den weltweiten Schiffbausektor verpflichtet, bis 2050 die Emissionen im Vergleich zum Niveau von 2008 um mindestens 50 Prozent zu verringern. Bereits bis 2030 soll sie eine 40-Prozent-Reduktion erreichen.

Die Regulierung schwefelarmer Kraftstoffe hat bereits deutliche Auswirkungen auf die Schifffahrt und wird Treibstoffkosten in Höhe von 10 bis 15 Milliarden US-Dollar pro Jahr verursachen. Trotz allem weist die Schifffahrtsindustrie keine Anzeichen von Stagnation auf – der Markt für Containerschiffe soll auch weiterhin wachsen.

Den Anforderungen gerecht werden durch Einsatz von Simulationssystem

Leichtere und gleichzeitig tragfähigere Containerschiffe stellen die Schiffsbauer vor eine schwierige Aufgabe. Es gilt, die Kapazität zu erhöhen und gleichzeitig den Übergang zur CO2-Neutralität zu schaffen. Das ist für die Ingenieure eine besondere Herausforderung. Zumal die Werften zusätzlich unter dem Druck stehen, Kosten zu reduzieren und beispielweise Material zu sparen.

Sie müssen Wege finden, die Schiffe, Container und andere lasttragende Bauteile kostengünstig und möglichst leichtgewichtig zu designen, mit minimalem Verbrauch an Stahl. Dabei müssen sie auch andere Faktoren wie Luft- und Wasserwiderstand, die den Treibstoffverbrauch erhöhen, berücksichtigen. Die neuen Schiffsklassen mit niedrigem Gewicht und hoher Kapazität erfordern viele Designiterationen und die Verwendung neuer Materialien wie Faserverbundwerkstoffe.

Den Spagat zwischen den unvereinbar scheinenden Anforderungen zu wagen, dürfte sich jedoch letztlich auszahlen. Untersuchungen zeigen, dass nur 20 Prozent Gewichtsreduktion bei leeren 40-Fuß-Containern 28 Milliarden US-Dollar Einsparungen beim Treibstoff bringen würden.

Neue Entwicklungsmethoden gefragt

Deutliche Gewichtsreduktionen lassen sich mit neuen Entwicklungsansätzen erzielen, denn Validierung und Konstruktion eines neuen Schiffes sind extrem kosten- und zeitaufwendig. Einer der Gründe dafür ist, dass der Prozess der Konstruktion und Entwicklung im Schiffbau in einen umfangreichen Rahmen von Regulierungen und Richtlinien eingebunden ist. Das gilt für den Aufbau von CAE-Simulationsmodellen als auch für deren Analyse und Bewertung. Bekannt ist dies als „Code Check“.

Simulationssystem: "Code Check“ mit neuem Ansatz

Hexagon Manufacturing Intelligence hat sich dieses Problems mittels Computer Aided Design und Computer Aided Engineering von Schiffs- und Offshoresystemen angenommen. Damit reduziert sich der Vali­dierungsprozess um Wochen.

Typischerweise sind CAE-Modelle stark idealisiert; kleine Teile wie Laschen und Halterungen werden weggelassen, Geometriefeatures wie Verrundungen und Aussparungen entfernt, während man Stringer und Spanten oft als eindimensionale Balkenelemente modelliert, die die angrenzenden Flächen versteifen. So wird die Lastverteilung durch die Schiffsstruktur abgebildet und dann jeder Teil der Struktur einzeln nach klassenspezifischen Regeln, dem sogenannten Code Check, bewertet. Er soll sicherstellen, dass die Strukturen vordefinierten Lastbedingungen, wie Beulen unter hydrostatischer Last, einschließlich Sicherheitstoleranz, widerstehen können.

Früher wurden die CAE-Modelle von null aufgebaut, basierend auf 2D-CAD-Modellen oder sogar nur einem Stapel Entwurfszeichnungen. In der CAE-Software MSC Apex kann ein Modell aus vorhandenen 3D-CAD-Modellen erzeugt werden. Das Entscheidende dabei ist, den CAE-Ingenieur bei der Aufbereitung und Idealisierung der 3D-CAD-Daten zu unterstützen, um beispielsweise schlanke Komponenten wie Stringer und Spanten zu identifizieren und in äquivalente eindimensionale Elemente umzuwandeln. Das idealisierte Modell muss die Vorschriften, Regeln und Richtlinien des Schiffbaus erfüllen.

Die Software MSC Apex bietet eine Palette an Geometrietools und unterstützt die gängige CAD-Formate. Dazu kommen Möglichkeiten für Benutzeranpassungen. Die Lösung eignet sich damit dafür, idealisierte CAE-Modelle ausgehend von detaillierten 3D-CAD-Modellen zu erzeugen.

Das grafische Benutzerinterface von dem Simulationssystem liefert einen integrierten Solver, Hinweis-Einblendungen am Mauszeiger, Erklärvideos und eine Dokumentation. Die Lernkurve, bis neue Anwender produktiv arbeiten können, ist erwartbar kurz. Dies steht in Gegen­satz zu traditionellen CAE-Tools, die oft umfangreiches Training erfordern, bevor ein neuer Anwender sich gut genug auskennt, das Potential effizient zu nutzen.

Die CAE-Software unterstützt den Berechnungsingenieur auch mit einem Satz von speziell für den Schiffbau entwickelten Werkzeugen, die logisch aufgebaut sind und den Anwender durch den Prozess der Geometriebereinigung, Idealisierung, Vernetzung und Verbindung des Modells führen.

Fehler früh aufdecken

In dem Part- und Assembly-basierten Simu­lationssystem lässt sich das CAE-­Modell schrittweise aufbauen und prüfen. Dabei validiert der integrierte Solver jedes Teil und jede Baugruppe einzeln, bevor sie mit anderen Teilen und Baugruppen kombiniert werden.

Mit diesem inkrementellen Ansatz kann der Anwender das Modell bereits während der Modellierung prüfen. Dies bietet Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Ansatz, bei dem die Richtigkeit erst geprüft wird, wenn das Gesamtmodell fertiggestellt ist. Modellierungsfehler zu finden und zu reparieren, kann in diesem Fall arbeitsintensiv und zeitaufwendig sein und den Entwicklungsprozess verzögern. Denn Fehler in einem Gesamtmodell zu finden, ist deutlich schwieriger, als zunächst die einzelnen Teile und Baugruppen zu betrachten.

Die drastische Zeiteinsparung bei der Modellierung beschleunigt die Innovation: Je mehr Designiterationen in kürzerer Zeit möglich sind, desto mehr Varianten können die Ingenieure ausprobieren, um das Design zu verfeinern und zu optimieren. Damit kommen sie in schnellen Schritten dem Ziel näher, treibstoffsparende Schiffe mit niedrigem CO2-Ausstoß zu entwickeln und Wirtschaftlichkeit mit Nachhaltigkeit zu vereinen.

Der Autor Stefan Tynelius ist Apex Business Development Specialist bei Hexagon Manufacturing Intelligence.

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